Hochvolt-LED-Beleuchtung hat sich als praktikabler Ersatz für ältere Technologien wie HID-Beleuchtung (High Intensity Discharge) erwiesen. Mit der Einführung von Hochspannungs-LED-Beleuchtung beeilten sich viele Hersteller, sie zu produzieren und in verschiedenen Anwendungen zu implementieren. Obwohl Lichtqualität und Leistungsdichte erheblich gestiegen sind, ist die Effizienz zu einem wichtigen Aspekt geworden. Außerdem waren die Ausfallraten bei den ersten Anwendungen viel höher als erwartet. Die größte Herausforderung für Hochvolt-LED-Beleuchtung besteht darin, die Leistungsdichte und Effizienz weiter zu erhöhen sowie sie für zukünftige Anwendungen zuverlässig und erschwinglicher zu machen. In diesem Artikel wird die Band Gap (GaN)-Technologie erörtert und erläutert, wie sie die Herausforderung der Effizienz und Leistungsdichte bei Hochspannungs-LED-Beleuchtung lösen kann. Diese Diskussion zeigt, wie die Bandgap-Technologie verwendet werden kann, um die Effizienz und Leistungsdichte zu maximieren, wobei der Schwerpunkt auf dem Step-down-Teil der in Abbildung 1 gezeigten LED-Treiberarchitektur liegt.
Bandgap-Halbleiter (GaN) können bei höheren Schaltfrequenzen arbeiten als herkömmliche Halbleiter wie Silizium. Bandgap-Materialien benötigen eine größere Energiemenge, um ein Elektron vom oberen Ende des Valenzbands zum unteren Ende des Leitungsbands anzuregen, wo es in der Schaltung verwendet werden kann. Das Erhöhen der Bandlücke hat also einen großen Einfluss auf ein Gerät (und ermöglicht es einer kleineren Chipgröße, dieselbe Aufgabe zu erledigen). Materialien wie Galliumnitrid (GaN), die eine höhere Bandlücke haben, können stärkeren elektrischen Feldern widerstehen. Kritische Eigenschaften von Bandgap-Materialien sind hohe Geschwindigkeiten freier Elektronen und eine höhere Elektronenfelddichte. Diese Schlüsselattribute machen GaN-Schalter bis zu 10-mal schneller und erheblich kleiner, mit dem gleichen Widerstand und der gleichen Durchbruchspannung wie eine ähnliche Komponente aus Silizium. GaN eignet sich perfekt für Hochspannungs-LED-Anwendungen, da es aufgrund dieser Schlüsselattribute ideal für die Implementierung in zukünftigen Beleuchtungsanwendungen geeignet ist.
Abbildung 1: Systemarchitektur eines nicht isolierten Hochleistungs-LED-Treibers. (Bildquelle: STMicroelectronics)
Abbildung 1 zeigt eine High-Level-Architektur einer LED-Beleuchtungsanwendung, die als Referenzbeispiel für die Anwendung der GaN-Bandgap-Technologie dienen wird. Obwohl Bandgap-Materialien in der gesamten Anwendung verwendet werden können, wird der grün hervorgehobene Hochspannungsstromgenerator im Mittelpunkt der Nutzung der Bandgap-Technologie stehen, um die Effizienz und Leistungsdichte zu maximieren. Die meisten Beleuchtungsanwendungen erfordern einen hohen Leistungsfaktor und eine geringe harmonische Verzerrung über einen weiten Bereich von AC-Eingangsspannungen. In diesem Fall ist es vorzuziehen, eine PFC-Verstärkung zu implementieren, um einen sauberen 400-V-Eingang bereitzustellenCC für LED-Treiber und erfüllen die Anforderungen an die Netzqualität. Es gibt mehrere Optionen für einen Front-End-PFC-Aufwärtswandler; Übergangsmodus (TM), Dauerfahrmodus (CCM) sowie andere. Der Übergangsmodus ist durch einen Betrieb mit variabler Frequenz und Nullstromschalten beim Einschalten des Leistungs-MOSFET gekennzeichnet. Weitere Vorteile sind die Einfachheit des Designs, die geringe Größe des Induktors und das Fehlen einer Sperrverzögerung der Boost-Diode. Die größten Herausforderungen sind der hohe Spitzen- und RMS-Eingangsstrom, der bei steigender Leistung auch zu einem größeren EMI-Filter führt. Das CCM stellt andererseits einen Festfrequenzbetrieb bereit. Der Pull-up-Induktorstrom hat immer eine mittlere Komponente, abgesehen von Nahe-Null-Durchgangspunkten. Der Induktor ist für eine Welligkeit von 20–30 % ausgelegt, was zu einem kleineren EMI-Filter im Vergleich zum TM-Betrieb führt. Dies impliziert auch eine größere Boost-Induktivität und einen kleineren EMI-Filter für die gleiche Ausgangsleistung im Vergleich zum TM-Betrieb. Die größten Herausforderungen sind eine komplexere Steuerung und die Notwendigkeit einer ultraschnellen Soft-Recovery-Diode oder SiC-Diode. Daher ist die CCM-PFC normalerweise teurer als eine TM-PFC. Idealerweise sollte anstelle der Gleichrichterdiode in den CCM-PFCs ein Zero-Recovery-Schalter verwendet werden. Dies macht GaN-Transistoren zu sehr guten Kandidaten für diese Anwendung.
Die Isolierung ist optional und kann zwischen der Eingangsstufe und der zweiten Leistungswandlungsstufe eingeführt werden. In diesem Beispiel wird keine Isolierung verwendet, und auf die Eingangs-PFC-Stufe folgt eine nicht isolierte Rückwärts-Abwärtsstufe mit CC/CV-Steuerung. In Fällen, in denen eine Isolierung erforderlich ist, kann abhängig von den Ausgangsleistungsanforderungen der Anwendung ein resonanter Leistungswandler (LLC, LCC) oder ein Sperrwandler verwendet werden.
Der PFC-Aufwärtswandler erzeugt an seinem Ausgang eine geregelte Zwischenkreisspannung (höher als die Spitze der Eingangswechselspannung) und leitet diese höhere Zwischenkreisspannung an die invertierte Abwärtswandlerstufe weiter. Die Reduktionsoperation ist ziemlich einfach. Wenn der Buck-Schalter eingeschaltet ist, ist die Spulenspannung die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung (VIN - VOUT). Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, richtet die Fangdiode den Strom gleich und die Induktorspannung ist die gleiche wie der Ausgang.
MasterGaN System-in-Package (SiP) für LED-Treiber
Neben Leistungsdichte und Effizienz ist die Komplexität des Designs eine zentrale Herausforderung für Hochspannungsbeleuchtungsanwendungen. Durch den Einsatz von Bandgap-Halbleitern wie GaN können die Leistungsdichte und der Wirkungsgrad der Schaltung erhöht werden. Die MasterGaN-Familie von ST stellt sich dieser Herausforderung, indem sie Hochspannungs-BCD-Gate-Treiber mit Hochspannungs-GaN-Transistoren in einem einzigen Gehäuse kombiniert. MasterGaN ermöglicht eine einfache Implementierung der in Abbildung 1 gezeigten Topologie. Es enthält zwei 650-V-GaN-HEMT-Transistoren in einer Halbbrückenkonfiguration sowie die Gate-Treiber. In diesem Beispiel ist die gesamte Abwärts-Leistungsstufe in einem einzigen 9x9-mm-QFN-Gehäuse eingebaut, das eine minimale Anzahl externer Komponenten erfordert. Sogar die Bootstrap-Diode, die normalerweise zur Versorgung des isolierten Hochspannungsabschnitts eines High-Side/Low-Side-Dual-Halbbrücken-Gate-Treibers benötigt wird, ist in das SiP integriert. Folglich kann die Leistungsdichte einer Anwendung, die ein MasterGAN-Gerät verwendet, im Vergleich zu einer Standard-Siliziumlösung drastisch erhöht werden, während die Schaltfrequenz oder Leistungsabgabe erhöht wird. Genauer gesagt wurde bei dieser LED-Treiberanwendung eine 30-prozentige Reduzierung der PCB-Fläche erreicht, und es wurden keine Kühlkörper verwendet.
Für Hochleistungs-LED-Beleuchtungsanwendungen ist CCM der beste Betriebsmodus. Wenn MCC mit GaN-Geräten implementiert wird, erhalten Sie die oben beschriebenen allgemeinen Vorteile sowie reduzierte Kosten. Ein R wäre nicht nötigDSON sehr niedrig, um Hochleistungsanwendungen zu bedienen, aufgrund des reduzierten Beitrags der Schaltverluste zu den Gesamtleistungsverlusten. GaN mildert auch einen der Hauptnachteile der Verwendung von CCM, indem es Wiederherstellungsverluste eliminiert und EMI reduziert, da GaN keine Rückwärtswiederherstellung erfährt. Der CCM-Betrieb mit fester Ausschaltzeitsteuerung macht es auch einfach, die Abhängigkeit des Ausgangsstroms von V zu kompensierenOUT. Es ist klar, dass die Implementierung von GaN-Schaltern mit CCM hervorragend zu Hochspannungs-LED-Beleuchtungsanwendungen sowie zu vielen anderen passt.
Das Grundschema einer Reverse-Buck-Topologie ist in Abbildung 2 zusammen mit einer Implementierung unter Verwendung des MASTERGAN4 dargestellt.
Abbildung 2: Reverse-Buck-Topologie, implementiert mit MASTERGAN4. (Bildquelle: STMicroelectronics)
MASTERGAN4 enthält zwei 225 mΩ (25 °C typisch) 650 V GaN-Transistoren in Halbbrückenkonfiguration, einen dedizierten Halbbrücken-Gate-Treiber und die Bootstrap-Diode. Dieser hohe Integrationsgrad vereinfacht das Design und minimiert die PCB-Fläche in einem kleinen QFN-Gehäuse von 9 x 9 mm. Das in Abbildung 3 gezeigte Evaluierungsboard, das mit dem MASTERGAN4 in einer umgekehrten Buck-Topologie entwickelt wurde, hat die folgenden Spezifikationen: Es akzeptiert eine Eingangsspannung von bis zu 450 V, die Ausgangsspannung der LED-Strings kann zwischen 100 V und 370 V eingestellt werden; arbeitet mit Fixed Time CCM (FOT) mit einer Schaltfrequenz von 70 kHz; der maximale Ausgangsstrom beträgt 1 A.
Abbildung 3: Demonstrationsbeispiel eines Rückwärtsreduzierers mit MASTERGaN4. (Bildquelle: STMicroelectronics)
Der Controller in dieser Lösung, der HVLED002, wird verwendet, um ein einzelnes PWM-Steuersignal zu erzeugen. Eine externe Schaltung, die auf einfachen Schmitt-Triggern basiert, wird dann verwendet, um zwei komplementäre Signale zu erzeugen, um die Low-Side- und High-Side-GaN-Transistoren mit einer geeigneten Totzeit anzusteuern. Zwei Linearregler sind ebenfalls enthalten, um die vom MASTERGAN4 benötigten Versorgungsspannungen zu erzeugen. Die mit MASTERGAN4 implementierte Reverse-Buck-Topologie schafft eine Lösung zur Erhöhung der Leistungsdichte und Effizienz, aber lassen Sie die unten diskutierten Ergebnisse für sich sprechen.
Experimentelle Ergebnisse:
Die Wirkungsgraddiagramme in Bild 4 zeigen die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung gegenüber einer herkömmlichen Siliziumlösung in Abhängigkeit von der LED-String-Spannung für Ausgangsströme von 0.5 A und 1 A.
Abbildung 4: Effizienz gegenüber Spannung der LED für den MasterGaN- und Silizium-MOSFET. (Bildquelle: STMicroelectronics)
Die MASTERGAN4-Effizienz bleibt über den gesamten Spannungsbereich der LED-Kette bei oder über 96,8 %. Es ist ersichtlich, dass der Effizienzgewinn bei allen Leistungsstufen dank der geringen Leitungsverluste sowie der minimalen Leitungs- und Schaltverluste der GaN-Lösung maximiert wird.
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Tabelle 1: Größenvergleich von GaN- und Silizium-MOSFETs
Tabelle 1 vergleicht die Siliziumlösung mit der auf MASTERGAN4 basierenden Lösung. Wie zu sehen ist, zeigt sich bei der Implementierung des GaN-Designs eine Reduzierung von mehr als 30 % der gesamten PCB-Fläche. Die Ergebnisse zeigen einen Weg auf, der mit GaN in dieser umgekehrt reduzierenden Topologie beschritten werden kann. Eine Erhöhung der Schaltfrequenz über 70 kHz kann die Größe der Ausgangsinduktivität und des Kondensators auf Kosten höherer Leitungs- und Schaltverluste reduzieren. Mit einer höheren Frequenz und einer reduzierten Filtergröße können Elektrolytkondensatoren durch größere, zuverlässigere Keramikkondensatoren ersetzt werden. Das Gleichgewicht zwischen der Größe des Filterkondensators und der Abwärtsspule kann basierend auf der für die Zielanwendung erforderlichen Schaltfrequenz optimiert werden.
Schlussfolgerungen
Dieser Artikel behandelt die Implementierung einer Reverse-Buck-Topologie für LED-Beleuchtungsanwendungen basierend auf MASTERGAN4. Das System in Gehäusekonfiguration verfügt über 650-V-225-mΩ-GaN-Transistoren in Halbbrückenkonfiguration und dedizierte Gate-Treiber. Die GaN- vs. Silizium-Lösung zeigt eine höhere Effizienz und eine kleinere PCB-Oberfläche. MasterGaN ist die ideale Lösung für eine kompakte, hocheffiziente und Power-Reverse-Buck-Implementierung für Beleuchtungsanwendungen.
