GaN per circuiti ad alta frequenza di nuova generazione

Traduzione dall’articolo GaN Enables Next-Generation High-Frequency Circuits di Tom Ribarich/Power Electronics News

Un modo per ottenere una migliore densità di potenza è aumentare la frequenza di commutazione così da ridurre al minimo i componenti passivi mantenendo comunque o addirittura migliorando l’efficienza dei circuiti stessi.

Una soluzione per ottenere una migliore densità di potenza sarebbe aumentare la frequenza di commutazione per ridurre al minimo i componenti passivi, come trasformatori, filtri EMI, condensatori bulk e condensatori di uscita, mantenendone o migliorandone altresì l’efficienza. Tra le soluzioni high-speed proposte dagli accademici dal 1996 vi è il flyback active-clamp (ACF) rivelatasi poi con scarse prestazioni di commutazione del silicio (QGD, Trr, COSS) per non parlare poi della complessità del sistema e del costo dello stesso.

Il nitruro di gallio (GaN), invece, possiamo definirlo un materiale ad “ampio bandgap” perché offre un bandgap elettronico tre volte più grande del silicio, il che significa che il GaN può gestire campi elettrici dieci volte più forti e fornire un’elevata potenza con chip notevolmente più piccoli.

Dunque con transistor molto più piccoli e percorsi di corrente più brevi, si riescono ad ottenere nel sistema resistenza (RDS(on)) e capacità (QGD, COSS, zero Trr) bassissime, ed altresì una velocità di commutazione fino a 100 volte più veloce. Per fornire prestazioni effettive in linea con le promesse del GaN, gli IC di alimentazione GaN integrano monoliticamente l’alimentazione GaN (FET) e l’azionamento per controllare e proteggere l’interruttore di alimentazione GaN high-speed.

Vengono presentate tre nuove versioni: 50-W pulsed ACF, 300-W CrCM totem-pole PFC e 1-kW half-bridge LLC.

Pulsed ACF: Eliminazione del condensatore elettrolitico bulk

La soluzione di riduzione in blocco dei condensatori, o la loro completa rimozione dal sistema, è stata un obiettivo sfuggente per molti anni, con scarso o addirittura nessun successo. La potenza nominale del condensatore bulk (µF) è determinata dalla potenza di uscita richiesta, dalla tensione e dalla frequenza di linea AC.

La valutazione è un atto di bilanciamento tra la carica del condensatore in ogni ciclo di linea AC e la scarica per fornire la potenza di uscita necessaria, il tutto mantenendo un livello di tensione di mantenimento DC minimo (~ 400 V) necessario per fornire una tensione di uscita DC costante. L’aumento della frequenza di commutazione dello stadio di conversione di potenza in sé non ha alcun effetto sulla dimensione del condensatore bulk, quindi non beneficia dello stesso rapporto di riduzione frequency-to-size che otteniamo con i magneti.

Tuttavia, se cambiamo i requisiti di uscita del convertitore da una tensione DC strettamente regolata a una tensione AC rettificata, allora possiamo cambiare le regole del gioco. Con un’uscita a impulsi, possiamo avere una tensione del condensatore bulk AC rettificata, che consente di ridurre notevolmente il valore della capacità del condensatore bulk e la tensione del bus DC può seguire direttamente la tensione della linea AC rettificata. Per i caricabatterie rapidi per smartphone, è accettabile una corrente pulsata, soprattutto se gli algoritmi di carica della batteria del telefono sono leggermente modificati per accettare la forma d’onda della tensione pulsata.

Per soddisfare il nuovo requisito di tensione di uscita a impulsi, la topologia ACF può convertire in modo efficiente la tensione del bus AC rettificata in una tensione di uscita a corrente continua ad impulsi. Il flyback QR tradizionale è semplice ed economico, ma presenta “interruttori rigidi” durante le condizioni di linea alta.

Le topologie LLC risonanti forniscono il funzionamento ZVS sull’intero intervallo di carico, ma dipendono da una tensione del bus DC ad intervallo limitato. La topologia ACF offre il meglio di entrambi i mondi consentendo il funzionamento ZVS sull’intera linea e un ampio intervallo di carico e tensione.

Rispetto al flyback QR tradizionale, la topologia ACF include un interruttore high-side aggiuntivo e un condensatore per spostare la tensione del nodo commutato (VSW) sul binario opposto durante il tempo morto e ottenere un ZVS. Megahertz ACF che utilizza circuiti integrati di alimentazione GaN è stato approvato accademicamente nel 2016 ed è stato reso disponibile per l’industria con l’introduzione nel mercato nel 2018 del controller PWM UCC2878x ACF di TI. Il GaN consente il funzionamento ACF ad alta frequenza e si traduce in una drastica riduzione delle dimensioni del trasformatore; ad esempio, da un trasformatore basato su bobina RM10 alto 22 mm da 50 kHz ad un trasformatore planare EI25 sottile 8 mm da 500 kHz, come mostrato nella Figura 1.

How high frequency drives smaller passive components, 50-W fast-charger example: ~100-kHz traditional bobbin (22 mm high) (left) and ~500-kHz planar transformer (8 mm) (right)
How high frequency drives smaller passive components, 50-W fast-charger example: ~100-kHz traditional bobbin (22 mm high) (left) and ~500-kHz planar transformer (8 mm) (right)

La riduzione delle dimensioni grazie all’aumento della frequenza e al funzionamento ad impulsi (eliminazione dei condensatori bulk) ha portato, nel 2020, all’introduzione del caricabatterie rapido ultrasottile da 50 W basato su GaN-power-IC di Oppo. Questo è stato un perfetto esempio di combinazione del GaN con un nuovo sistema di partizionamento in grado di ridurre le dimensioni e il profilo del convertitore ed infine in grado di creare un’esperienza del tutto nuova per l’utente e pronta all’uso.

PFC ad alta frequenza, senza il ponte

Le topologie PFC convenzionali per applicazioni di media potenza (da 100 a 500 W) includono un raddrizzatore a ponte di ingresso seguito da un convertitore boost tradizionale. Quando l’interruttore boost viene attivato e disattivato a una data frequenza di commutazione, i tempi di attivazione e disattivazione sono controllati in modo tale che la corrente di ingresso della linea AC segua la stessa forma e fase della tensione di linea AC e la tensione di uscita del bus DC sia mantenuta a un livello costante.

In condizioni di ingresso a 90 VAC e a pieno carico, questo circuito può raggiungere efficienze pari circa al 96%. Il convertitore boost stesso può essere reso molto efficiente, ma le perdite del ponte di ingresso AC sono molto elevate, e ciò può causare gravi estremi termici ed una scarsa efficienza complessiva.

Il “bridgeless totem-pole” entra nella topologia di PFC.

Nei circuiti PFC convenzionali con un raddrizzatore AC standard, in qualsiasi momento, due diodi del ponte di ingresso sono sempre in conduzione e generano >50% delle perdite totali del circuito PFC.

Negli ultimi decenni, sono stati studiati molti circuiti PFC bridgeless nel tentativo di eliminare il raddrizzatore a ponte di ingresso ed aumentare l’efficienza del sistema, ma pochi sono usciti dal laboratorio e sono entrati nel mercato tradizionale, principalmente a causa della maggiore complessità e dei costi. Queste topologie includono il classico totem-pole bridgeless, semi-bridgeless e bidirectional bridgeless.

Ognuna di queste topologie ha il proprio insieme di pro e contro, ma nessuna di esse è la soluzione perfetta. Sebbene siano stati implementati progetti basati su microcontrollori per data center SMPS multi-kilowatt, le perdite in standby sono state troppo elevate per soddisfare i requisiti del mercato consumer come DoE Level IV ed Euro CoC Tier 2.

iFigure 2: 300-W CrCM totem-pole PFC schematic and efficiency data

Con l’emergere di nuovi controller nel 2021, il totem bridgeless CrCM ad alta frequenza sta emergendo come una topologia abbastanza popolare a causa della bassa EMI, oltre alla semplificazione di rilevamento della tensione e della corrente da parte del controller. Le velocità di commutazione possono essere aumentate fino a 10×, da una frequenza fissa da 50 kHz CCM a una frequenza di 200-500 kHz per funzionamento CrCM totem-pole, la bassa capacità di uscita di GaN (COSS) offre un risultato ad alta efficienza.

DC/DC ad alta frequenza: 6 volte la potenza con GaN

Per i convertitori di tensione a uscita fissa nell’intervallo di potenza da 100 a 3.000 W, la scelta del convertitore DC/DC a valle è in genere uno stadio risonante LLC con ingresso ~400 V DC. Il bus da 400 V può provenire da uno stadio PFC a monte all’interno di un SMPS AC/DC racchiuso o può essere la guida di distribuzione principale in un’installazione HVDC.

La topologia LLC ha diversi vantaggi che includono il funzionamento ZVS, l’alta efficienza e l’elevata densità di potenza, e il funzionamento ZVS rende questo convertitore una piattaforma ideale per aumentare la frequenza di commutazione e ridurre le dimensioni del magnete utilizzando un gruppo propulsore ad alta velocità.

Nel fattore di forma quarter-brick standard del settore (DOSA), i migliori design basati su silicio raggiungono i 150 W. Utilizzando circuiti integrati di potenza GaN e aumentando la frequenza di commutazione DC/DC di 3 volte da 275 kHz a 830 kHz, la potenza nominale può essere aumentata fino a 6× ad un massimo di 1 kW.

Figure 3: 400-V input DOSA quarter-brick DC/DC converters: best-in-class Si-based, 275 kHz, 150 W (left) and GaN-based 830 kHz reaching 1 kW (density power) (right)
Figure 3: 400-V input DOSA quarter-brick DC/DC converters: best-in-class Si-based, 275 kHz, 150 W (left) and GaN-based 830 kHz reaching 1 kW (density power) (right)

GaN ad alta velocità per applicazioni ad alta frequenza

Queste sono solo alcune delle vaste potenzialità applicative, con le quali i circuiti integrati di potenza GaN potranno andare a rivoluzionare il mondo nell’elettronica di potenza. Man mano che le frequenze operative aumentano e le dimensioni dei magneti diminuiscono, l’intero ecosistema continuerà ad evolversi, inclusi materiali magnetici aggiornati, nuovi progetti di trasformatori planari, tecnologie di condensatori più piccoli, nuove topologie di circuiti e materiali termici migliorati.

I risultati di tali applicazioni saranno sicuramente maggior efficienza, maggiore robustezza, nuovi fattori di forma dell’adattatore di alimentazione ed in definitiva costi inferiori.

Traduzione dall’articolo GaN Enables Next-Generation High-Frequency Circuits di Tom Ribarich/Power Electronics News

Redazione Fare Elettronica