L'éclairage LED haute tension s'est avéré être un remplacement viable pour les technologies plus anciennes telles que l'éclairage à décharge à haute intensité (HID). Avec l'adoption de l'éclairage LED haute tension, de nombreux fabricants se sont précipités pour le produire et l'implémenter dans diverses applications. Bien que la qualité de la lumière et la densité de puissance aient considérablement augmenté, l'efficacité est devenue un aspect important à prendre en compte. De plus, les taux d'échec étaient beaucoup plus élevés que prévu dans les premières applications. Le principal défi pour l'éclairage LED haute tension est de continuer à augmenter la densité de puissance et l'efficacité, ainsi que de le rendre fiable et plus abordable pour les applications futures. Cet article traite de la technologie Band Gap (GaN) et de la façon dont elle peut résoudre le défi de l'efficacité et de la densité de puissance dans l'éclairage LED haute tension. Cette discussion montrera comment la technologie de bande interdite peut être utilisée pour maximiser l'efficacité et la densité de puissance, en se concentrant sur la partie abaisseur de l'architecture de pilote de LED illustrée à la figure 1.
Les semi-conducteurs à bande interdite (GaN) peuvent fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées que les semi-conducteurs conventionnels tels que le silicium. Les matériaux à bande interdite nécessitent une plus grande quantité d'énergie pour exciter un électron du haut de la bande de valence au bas de la bande de conduction, où il peut être utilisé dans le circuit. Ainsi, l'augmentation de la bande interdite a un impact important sur un appareil (et permet à une taille de matrice plus petite de faire le même travail). Les matériaux, tels que le nitrure de gallium (GaN), qui ont une bande interdite plus élevée, peuvent résister à des champs électriques plus forts. Les attributs critiques des matériaux à bande interdite sont des vitesses d'électrons libres élevées et une densité de champ d'électrons plus élevée. Ces attributs clés rendent les commutateurs GaN jusqu'à 10 fois plus rapides et considérablement plus petits, avec la même résistance et la même tension de claquage qu'un composant similaire en silicium. Le GaN est parfait pour les applications LED haute tension car ces attributs clés le rendent idéal pour une mise en œuvre dans les futures applications d'éclairage.
Figure 1 : Architecture système d'un driver de LED haute puissance non isolé. (Source de l'image : STMicroelectronics)
La figure 1 montre une architecture de haut niveau d'une application d'éclairage LED qui servira d'exemple de référence pour l'application de la technologie GaN bandgap. Bien que les matériaux à bande interdite puissent être utilisés dans toute l'application, le générateur de courant haute tension, surligné en vert, occupera le devant de la scène en tirant parti de la technologie à bande interdite pour maximiser l'efficacité et la densité de puissance. La plupart des applications d'éclairage nécessitent un facteur de puissance élevé et une faible distorsion harmonique sur une large plage de tension d'entrée CA. Dans ce cas, il est préférable d'implémenter un boost PFC pour fournir une entrée 400V propreCC pour pilote LED et répondre aux exigences de qualité de l'alimentation. Il existe plusieurs options pour un convertisseur boost PFC frontal; mode de transition (TM), mode de conduite continue (CCM), ainsi que d'autres. Le mode de transition est caractérisé par un fonctionnement à fréquence variable et une commutation de courant nul à la mise sous tension du MOSFET de puissance. D'autres avantages sont la simplicité de la conception, la petite taille de l'inductance et l'absence de récupération inverse de la diode boost. Les principaux défis sont le courant d'entrée crête et RMS élevé, qui se traduit également par un filtre EMI plus grand à mesure que la puissance augmente. Le CCM, d'autre part, fournit un fonctionnement à fréquence fixe. Le courant d'inductance pull-up a toujours une composante moyenne, à l'exception des points de croisement proches de zéro. L'inducteur est conçu pour une ondulation de 20 à 30 %, ce qui se traduit par un filtre EMI plus petit par rapport au fonctionnement TM. Cela implique également une inductance de suralimentation plus grande et un filtre EMI plus petit pour la même puissance de sortie par rapport au fonctionnement TM. Les principaux défis sont un contrôle plus complexe et le besoin d'une diode à récupération douce ultra-rapide ou d'une diode SiC. Par conséquent, le CCM PFC est généralement plus cher qu'un TM PFC. Idéalement, un commutateur de récupération à zéro inverse devrait être utilisé à la place de la diode de redressement dans les PFC CCM. Cela fait des transistors GaN de très bons candidats pour cette application.
L'isolation est optionnelle et peut être introduite entre l'étage d'entrée et le deuxième étage de conversion de puissance. Dans cet exemple, l'isolation n'est pas utilisée et l'étage PFC d'entrée est suivi d'un étage abaisseur inverse non isolé avec commande CC/CV. Dans les cas où une isolation est requise, un convertisseur de puissance résonant (LLC, LCC) ou un convertisseur flyback peut être utilisé en fonction des exigences de puissance de sortie de l'application.
Le convertisseur élévateur PFC génère une tension de bus CC régulée à sa sortie (supérieure au pic de la tension CA d'entrée) et transmet cette tension de bus CC plus élevée à l'étage du convertisseur abaisseur inversé. L'opération de réduction est assez simple. Lorsque l'interrupteur abaisseur est activé, la tension de l'inductance est la différence entre les tensions d'entrée et de sortie (VIN - VARCHIVER). Lorsque l'interrupteur est éteint, la diode de capture redresse le courant et la tension de l'inductance est la même que la sortie.
Système MasterGaN en package (SiP) pour pilotes LED
Outre la densité de puissance et l'efficacité, la complexité de la conception est un défi majeur pour les applications d'éclairage à haute tension. Avec l'utilisation de semi-conducteurs à bande interdite tels que le GaN, la densité de puissance et l'efficacité du circuit peuvent être augmentées. La famille MasterGaN de ST relève ce défi en combinant des circuits d'attaque de grille BCD haute tension avec des transistors GaN haute tension dans un seul boîtier. MasterGaN permet une mise en œuvre facile de la topologie illustrée à la figure 1. Il intègre deux transistors HEMT GaN 650 V dans une configuration en demi-pont, ainsi que les pilotes de grille. Dans cet exemple, l'ensemble de l'étage d'alimentation abaisseur est intégré dans un seul boîtier QFN 9x9 mm qui nécessite un nombre minimal de composants externes. Même la diode d'amorçage, qui est généralement requise pour alimenter la section haute tension isolée d'un pilote de grille à double demi-pont côté haut/bas, est intégrée au SiP. Par conséquent, la densité de puissance d'une application utilisant un dispositif MasterGAN peut être considérablement augmentée par rapport à une solution de silicium standard, tout en augmentant la fréquence de commutation ou la puissance de sortie. Plus précisément, dans cette application de pilote de LED, une réduction de 30 % de la surface du circuit imprimé a été obtenue et aucun dissipateur thermique n'a été utilisé.
Pour les applications d'éclairage LED haute puissance, CCM est le meilleur mode de fonctionnement à utiliser. Lorsque MCC est mis en œuvre avec des dispositifs GaN, vous bénéficiez des avantages de haut niveau décrits ci-dessus, ainsi que d'un coût réduit. Il n'y aurait pas besoin d'un RDSON très faible pour servir les applications à haute puissance en raison de la contribution réduite des pertes de commutation aux pertes de puissance globales. Le GaN atténue également l'un des principaux inconvénients de l'utilisation du CCM en éliminant les pertes de récupération et en réduisant les EMI, car le GaN ne subit pas de récupération inverse. Le fonctionnement CCM avec contrôle de temps d'arrêt fixe facilite également la compensation de la dépendance du courant de sortie à VARCHIVER. Il est clair que la mise en œuvre de commutateurs GaN utilisant CCM convient parfaitement aux applications d'éclairage LED haute tension, ainsi qu'à bien d'autres.
Le schéma de base d'une topologie buck inversée est illustré à la figure 2 avec une implémentation utilisant le MASTERGAN4.
Figure 2 : Topologie buck inversée implémentée avec MASTERGAN4. (Source de l'image : STMicroelectronics)
Le MASTERGAN4 intègre deux transistors GaN 225 mΩ (25 °C typiques) 650 V en configuration demi-pont, un circuit d'attaque de grille dédié en demi-pont et la diode d'amorçage. Ce haut niveau d'intégration simplifie la conception et minimise la surface du circuit imprimé dans un petit boîtier QFN de 9 x 9 mm. La carte d'évaluation illustrée à la figure 3, conçue avec le MASTERGAN4 dans une topologie buck inversée, présente les spécifications suivantes : elle accepte jusqu'à 450 V d'entrée, la tension de sortie de la chaîne de LED peut être ajustée entre 100 V et 370 V ; fonctionne sur CCM à temps fixe (FOT) avec une fréquence de commutation de 70 kHz ; le courant de sortie maximal est de 1 A.
Figure 3 : Exemple de démonstration d'un réducteur inverse avec MASTERGaN4. (Source de l'image : STMicroelectronics)
Le contrôleur de cette solution, le HVLED002, est utilisé pour générer un seul signal de commande PWM. Un circuit externe basé sur de simples déclencheurs de Schmitt est ensuite utilisé pour générer deux signaux complémentaires pour piloter les transistors GaN côté bas et côté haut avec un temps mort approprié. Deux régulateurs linéaires sont également inclus pour générer les tensions d'alimentation requises par le MASTERGAN4. La topologie buck inversée mise en œuvre avec MASTERGAN4 crée une solution pour augmenter la densité de puissance et l'efficacité, mais laissez les résultats discutés ci-dessous parler d'eux-mêmes.
Résultats expérimentaux:
Les graphiques d'efficacité de la figure 4 montrent les avantages de la solution proposée par rapport à une solution traditionnelle au silicium en fonction de la tension de la chaîne de LED pour des courants de sortie de 0.5 A et 1 A.
Figure 4 : Efficacité en fonction de la tension de la LED pour le MasterGaN et le MOSFET au silicium. (Source de l'image : STMicroelectronics)
L'efficacité du MASTERGAN4 reste égale ou supérieure à 96,8 % sur toute la plage de tension de la chaîne de LED. On peut voir qu'à tous les niveaux de puissance, le gain d'efficacité est maximisé grâce aux faibles pertes de conduction, ainsi qu'aux pertes de conduction et de commutation minimales de la solution GaN.
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Tableau 1 : Comparaison de la taille des MOSFET au GaN et au silicium
Le tableau 1 compare la solution de silicium avec la solution à base de MASTERGAN4. Comme on peut le voir, une réduction de plus de 30% de la surface totale du PCB est montrée avec la mise en œuvre de la conception GaN. Les résultats montrent un chemin qui peut être emprunté avec le GaN dans cette topologie réductrice inverse. L'augmentation de la fréquence de commutation au-dessus de 70 kHz peut réduire la taille de l'inductance et du condensateur de sortie au prix de pertes de conduction et de commutation plus élevées. Avec une fréquence plus élevée et une taille de filtre réduite, les condensateurs électrolytiques peuvent être remplacés par des condensateurs céramiques plus grands et plus fiables. L'équilibre entre le condensateur de filtrage et la taille de l'inducteur abaisseur peut être optimisé en fonction de la fréquence de commutation requise par l'application cible.
Conclusions
Cet article traite de la mise en œuvre d'une topologie buck inversée pour les applications d'éclairage LED basées sur MASTERGAN4. Le système en configuration de boîtier comprend des transistors GaN 650 V 225 mΩ en configuration demi-pont et des pilotes de grille dédiés. La solution GaN vs Silicium présente une efficacité supérieure et une surface de circuit imprimé plus petite. MasterGaN est la solution idéale pour une mise en œuvre compacte, à haute efficacité et à puissance inversée pour les applications d'éclairage.
