Utiliser des commutateurs GaN intégrés pour des alimentations autonomes haut rendement à faible coût

Par Jeff Shepard

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

L'étendue des applications pour les alimentations compactes de 100 watts (W) ne cesse d'augmenter, qu'il s'agisse de chargeurs et d'adaptateurs CA/CC, de chargeurs USB Power Delivery (PD), d'adaptateurs de charge rapide (QC), d'éclairage LED, de produits blancs, de commandes moteurs, de compteurs intelligents ou de systèmes industriels. Pour les concepteurs de ces alimentations indirectes autonomes, le défi consiste à garantir la robustesse et la fiabilité tout en continuant à réduire les coûts, à améliorer le rendement et à réduire le facteur de forme pour une densité de puissance plus élevée.

Pour résoudre bon nombre de ces problèmes, les concepteurs peuvent remplacer les commutateurs de puissance en silicium (Si) par des dispositifs basés sur des technologies à large bande interdite (WBG) telles que le nitrure de gallium (GaN). Cela se traduit directement par une amélioration du rendement de l'alimentation et par une réduction des exigences de dissipation thermique, permettant une densité de puissance plus élevée. Cependant, par rapport au Si, les commutateurs GaN sont plus difficiles à commander.

Les concepteurs peuvent surmonter les problèmes associés aux vitesses de commutation rapides, tels que l'inductance et la capacité parasites et les oscillations haute fréquence, mais cela implique des délais et des coûts de développement supplémentaires. Alternativement, les concepteurs peuvent se tourner vers des circuits intégrés d'alimentations à découpage indirectes autonomes hautement intégrées avec des dispositifs de puissance GaN internes.

Cet article décrit brièvement les avantages du GaN et les défis d'intégration associés. Il présente ensuite trois plateformes de circuits intégrés d'alimentations à découpage indirectes autonomes avec des commutateurs de puissance GaN internes de Power Integrations et montre comment ils peuvent être utilisés pour produire des conceptions de convertisseurs de puissance haut rendement. Des circuits intégrés complémentaires de gestion du courant d'appel et de de miniaturisation des condensateurs de masse MinE-CAP sont présentés, ainsi qu'un environnement de conception en ligne utile.

Présentation et avantages du GaN

Le GaN est un matériau semi-conducteur à large bande interdite qui, comparé au Si, présente une faible résistance à l'état passant, une haute résistance au claquage, des vitesses de commutation élevées et une haute conductivité thermique. L'utilisation du GaN à la place du Si permet de fabriquer des commutateurs qui présentent des pertes de commutation beaucoup plus faibles lors de la mise sous tension et hors tension. De plus, les dispositifs GaN avec une résistance à l'état passant équivalente sont beaucoup plus petits que leurs homologues en Si. Par conséquent, pour une taille de puce donnée, un commutateur de puissance GaN présente des pertes de conduction et des pertes de commutation combinées inférieures (Figure 1).

Graphique des dispositifs GaN avec une résistance à l'état passant plus faibleFigure 1 : Pour une taille de puce donnée, les dispositifs GaN ont une résistance à l'état passant plus faible, ce qui entraîne des pertes totales inférieures par rapport aux MOSFET Si. (Source de l'image : Power Integrations)

Bien que le GaN présente des avantages clairs, son intégration peut s'avérer complexe. Par exemple, en raison des vitesses de commutation extrêmement élevées des dispositifs GaN, la conception des circuits de commande peut être très sensible aux inductances et aux capacités parasites provenant du circuit imprimé et des boîtiers GaN discrets. Les excursions de tensions rapides (dv/dt) et les oscillations haute fréquence pouvant se produire lors de la commande de dispositifs GaN créent davantage d'interférences électromagnétiques (EMI) qui doivent être filtrées pour éviter une diminution du rendement du convertisseur. En outre, la commutation rapide des dispositifs GaN rend difficile leur protection contre les conditions de défaillance, car celles-ci peuvent endommager les dispositifs avant que les circuits de protection ne réagissent.

Simplicité sans sacrifier les performances

Power Integrations répond à ces complexités avec ses circuits intégrés d'alimentations à découpage quasi-résonants PowiGaN InnoSwitch3-CP, InnoSwitch3-EP et InnoSwitch3-Pro (Figure 2). PowiGaN est la technologie de commutation de puissance GaN développée en interne par Power Integrations, qui remplace les transistors silicium traditionnels sur le côté primaire des circuits intégrés d'alimentations à découpage indirectes autonomes InnoSwitch3. Au lieu de cela, les circuits primaire, secondaire et de rétroaction sont intégrés dans un seul boîtier InSOP-24D à montage en surface (CMS). Les dispositifs réduisent ainsi la complexité de configuration du circuit d'attaque et la génération d'interférences électromagnétiques, tout en réduisant les pertes par conduction et les pertes de commutation, ce qui permet d'obtenir des adaptateurs et des chargeurs plus efficaces, plus légers et plus petits, ainsi que des alimentations à cadre ouvert.

Cette approche permet aux concepteurs d'alimentations de se concentrer sur la distribution de puissance, les performances thermiques, les facteurs de forme et d'autres considérations relatives aux applications sans se laisser distraire par la difficile technologie GaN.

Image des circuits intégrés d'alimentations à découpage indirectes autonomes InnoSwitch3 de Power Integrations avec commutateurs GaNFigure 2 : Les circuits intégrés d'alimentations à découpage indirectes autonomes InnoSwitch3 avec commutateurs GaN sont fournis en boîtier InSOP-24D compact. (Source de l'image : Power Integrations)

Les trois gammes InnoSwitch3 avec technologie PowiGaN sont optimisées pour des classes d'applications spécifiques :

  • L'InnoSwitch3-CP est destiné aux applications telles que la charge de batteries pouvant bénéficier d'un profil de puissance constant.
  • L'InnoSwitch3-EP est destiné aux alimentations CA/CC à cadre ouvert dans une variété d'applications grand public et industrielles.
  • Les dispositifs InnoSwitch3-Pro incluent une interface numérique I²C pour le contrôle logiciel des points de consigne de tension constante (CV) et de courant constant (CC), les options de mode de sécurité et la gestion des exceptions.

Les circuits intégrés InnoSwitch3 offrent un contrôle quasi-résonant, affichent un rendement atteignant 95 % sur toute la plage de charge, prennent en charge des sorties CV, CC et à puissance constante (CP) précises pour répondre à une grande variété d'applications, et incluent une technologie de détection du courant sans perte. Cette technologie élimine le recours à des résistances de détection de courant externes qui réduisent le rendement et qui peuvent même dépasser la résistance de nombreux commutateurs GaN dans les conceptions discrètes.

Les autres caractéristiques clés des commutateurs incluent la détection côté secondaire, un circuit d'attaque dédié pour un MOSFET de redressement synchrone, une connexion de retour à couplage inductif FluxLink intégrée entre les contrôleurs côté primaire et côté secondaire avec un isolement > 4000 volts CA (VCA), la conformité aux exigences internationales en matière de rendement énergétique, de faibles EMI, la conformité réglementaire et de sécurité (homologations de sécurité UL1577 et TUV (EN60950 et EN62368)), et une réponse transitoire instantanée pour des paliers de charge de 100 %.

Circuits intégrés d'alimentations à découpage indirectes QR CV/CC autonomes à commande numérique

Les concepteurs de chargeurs de batteries multi-chimies et multi-protocoles, de ballasts LED à CV et CC ajustables, d'alimentations programmables (PPS) USB PD 3.0+ haut rendement, d'adaptateurs QC et d'applications similaires peuvent tirer parti de l'utilisation des circuits intégrés InnoSwitch3-Pro entièrement programmables, notamment l'INN3378C, l'INN3379C et l'INN3370C qui peuvent être utilisés dans des adaptateurs CA/CC délivrant jusqu'à 90 W et dans des alimentations CA/CC à cadre ouvert délivrant jusqu'à 100 W (Tableau 1). Ces dispositifs sont également utiles lorsqu'un contrôle fin du courant de sortie et un réglage de la tension sont nécessaires (des incréments de 10 millivolts (mV) et 50 milliampères (mA) sont pris en charge).

Tableau des circuits intégrés InnoSwitch3-ProTableau 1 : Les circuits intégrés InnoSwitch3-Pro sont répertoriés pour fonctionner avec une entrée de 230 VCA ±15 % et une entrée de 85 VCA à 265 VCA. (Source du tableau : Power Integrations)

L'interface I²C des dispositifs InnoSwitch3-Pro simplifie le développement et la production d'alimentations entièrement programmables (Figure 4). Elle permet un contrôle dynamique du courant et de la tension de sortie. Elle permet de configurer l'alimentation, de contrôler les points de consigne CV/CC/CP et les paramètres de protection tels que les seuils de surtension et de sous-tension, et de gérer le signalement des défaillances. L'alimentation 3,6 V intégrée peut être utilisée pour alimenter un microcontrôleur (MCU) externe. De plus, la consommation d'énergie à vide < 30 milliwatts (mW) (y compris la ligne de détection et le microcontrôleur) répond à toutes les exigences internationales en matière de rendement énergétique.

Schéma des circuits intégrés InnoSwitch3-Pro de Power Integrations avec interface I²CFigure 3 : Les circuits intégrés InnoSwitch3-Pro incluent une interface I²C pour une commande et une surveillance numériques complètes, ainsi qu'une alimentation 3,6 V (uVCC) intégrée pour alimenter un microcontrôleur externe. (Source de l'image : Power Integrations)

Solutions matérielles configurables

Pour les applications ne requérant pas de surveillance ou de programmabilité numérique, Power Integrations propose les gammes InnoSwitch3-CP (Figure 4) et InnoSwitch3-EP de solutions matérielles configurables. Comme pour l'InnoSwitch3-Pro, les dispositifs InnoSwitch3-CP et InnoSwitch3-EP incluent des contrôleurs primaires et secondaires et un isolement renforcé répertorié pour > 4000 VCA dans un seul circuit intégré. Les fonctions de protection comprennent une limitation de la surintensité et de la surtension en sortie, une protection contre la surtension et la sous-tension de ligne CA et un blocage en cas de surchauffe. Les dispositifs se caractérisent par une haute immunité au bruit, permettant des conceptions conformes aux niveaux de performances EN61000-4 classe « A ».

Schéma de l'InnoSwitch3-CP de Power Integrations dans une application typique avec connexion de retour à couplage inductif FluxLinkFigure 4 : L'InnoSwitch3-CP est illustré dans une application typique avec connexion de retour à couplage inductif FluxLink (ligne pointillée) entre les contrôleurs des côtés primaire et secondaire. (Source de l'image : Power Integrations)

Les concepteurs de convertisseurs indirects haut rendement jusqu'à 100 W, pour des applications telles que des adaptateurs QC, USB PD et d'autres applications similaires, peuvent bénéficier de l'utilisation de dispositifs InnoSwitch3-CP tels que l'INN3278C, l'INN3279C et l'INN3270C (Tableau 2). Ces circuits intégrés d'alimentations à découpage QR présentent des modes CV et CC avec des profils de puissance constante, et ils prennent en charge des combinaisons standard de verrouillage et de redémarrage automatique. La compensation de chute du câble est une fonction optionnelle.

Tableau des puissances nominales de la gamme InnoSwitch3-CP pour les conceptions d'adaptateurs et à cadre ouvertTableau 2 : Puissances nominales de la gamme InnoSwitch3-CP pour les conceptions d'adaptateurs et à cadre ouvert. (Source du tableau : Power Integrations)

Pour les applications telles que les compteurs électriques, les alimentations industrielles et de réseaux intelligents, les alimentations de secours et de polarisation pour les produits blancs, les produits grand public et les ordinateurs qui ne nécessitent pas un fonctionnement à puissance constante, les concepteurs peuvent choisir parmi les dispositifs InnoSwitch3-EP tels que l'INN3678C, l'INN3679C et l'INN3670C (Tableau 3).

Tableau des circuits intégrés InnoSwitch3-EP répertoriés pour une pleine puissance à 230 VCA ±15 %Tableau 3 : Les circuits intégrés InnoSwitch3-EP sont répertoriés pour une pleine puissance à 230 VCA ±15 % et une puissance nominale réduite avec une large plage d'entrée de 85 VCA à 265 VCA. (Source du tableau : Power Integrations)

Les dispositifs InnoSwitch3-EP prennent en charge l'inter-régulation multi-sortie. La détection du courant de sortie est ajustable avec une résistance externe, tandis que les performances CV/CC sont très précises et indépendantes de tout composant externe. Ces circuits intégrés d'alimentations à découpage indirectes QR sont disponibles avec une protection contre les sous-tensions en sortie à redémarrage automatique en option et peuvent être commandés avec des options de distribution de puissance standard ou de crête.

Miniaturisation des condensateurs de masse et gestion du courant d'appel

Pour réduire davantage le nombre de composants et améliorer les performances des alimentations CA/CC, les concepteurs qui utilisent un circuit intégré InnoSwitch3 PowiGaN peuvent également utiliser le circuit intégré complémentaire de gestion du courant d'appel et de miniaturisation des condensateurs de masse MinE-CAP pour les conceptions à très haute densité de puissance (Figure 5). Le MinE-CAP peut réduire le volume des condensateurs d'entrée jusqu'à 50 %, et il élimine le recours à une thermistance à coefficient de température négatif (CTN) limitant le courant d'appel. L'utilisation du MinE-CAP réduit également les contraintes sur le fusible et le pont redresseur d'entrée, ce qui améliore la fiabilité de l'alimentation.

Schéma du condensateur de masse MinE-CAP de Power Integrations (cliquez pour agrandir)Figure 5 : Le circuit intégré de gestion du courant d'appel et de miniaturisation des condensateurs de masse MinE-CAP est un complément naturel des circuits intégrés d'alimentations à découpage indirectes autonomes InnoSwitch3 dans les alimentations CA/CC haute densité. (Source de l'image : Power Integrations)

Comme les circuits intégrés InnoSwitch3, le MinE-CAP tire parti de la petite taille et de la faible résistance à l'état passant des dispositifs PowiGaN pour améliorer les performances du système. Le MinE-CAP connecte et déconnecte automatiquement des segments du réseau de condensateurs de masse en fonction des conditions de tension de la ligne CA. Cela permet aux concepteurs d'utiliser le plus petit condensateur de masse (CHV dans la Figure 5) pour un fonctionnement à haute tension de ligne CA, tout en plaçant la majeure partie du stockage d'énergie dans des condensateurs à plus basse tension (CLV) pour une utilisation dans des conditions de ligne à plus basse tension. Comme les condensateurs à plus basse tension sont nettement plus petits que ceux à haute tension, l'utilisation du MinE-CAP permet de réduire la taille globale des condensateurs d'entrée de masse sans réduire le rendement ni augmenter l'ondulation de sortie, et sans nécessiter une nouvelle conception du transformateur de puissance.

L'utilisation du MinE-CAP permet de réduire la taille des alimentations tout aussi efficacement que l'augmentation de la fréquence de commutation pour réduire la taille du transformateur. Les solutions MinE-CAP utilisent moins de composants et éliminent les problèmes de conception à haute fréquence tels que l'augmentation de la dissipation dans les transformateurs et l'augmentation des EMI.

Outils de conception en ligne

Power Integrations propose également PI Expert pour accélérer la conception d'alimentations CA/CC indirectes autonomes utilisant la gamme InnoSwitch3 de circuits intégrés d'alimentations à découpage indirectes autonomes PowiGaN. Architecturé autour d'une interface utilisateur graphique (GUI) automatisée, PI Expert utilise les spécifications de l'alimentation pour générer automatiquement une solution de conversion de puissance. Il fournit aux concepteurs tous les détails nécessaires pour développer et tester un prototype de convertisseur de puissance. Grâce à PI Expert, les concepteurs peuvent réaliser une conception complète en quelques minutes.

La conception avec des circuits intégrés InnoSwitch3 basés sur PowiGaN est la même que celle des dispositifs InnoSwitch3 basés Si. PI Expert fonctionne de la même manière lorsqu'il s'agit d'optimiser la fréquence de commutation, le filtrage EMI, la conception du transformateur, la polarisation et le redressement synchrone pour les dispositifs PowiGaN et Si. L'outil implémente automatiquement tous les changements requis pour s'adapter à la puissance plus élevée des conceptions basées sur PowiGaN. L'outil produit un schéma de circuit interactif, une nomenclature complète, des paramètres électriques détaillés et des recommandations pour la configuration du circuit imprimé. Les résultats incluent également une conception magnétique complète avec la taille du noyau, l'épaisseur du fil, le nombre de fils parallèles, le nombre de tours dans chaque enroulement, et les instructions d'enroulement pour l'assemblage mécanique.

Conclusion

Les concepteurs doivent augmenter la densité de puissance, diminuer les coûts et réduire le temps de développement des alimentations 100 W autonomes pour des applications s'étendant des adaptateurs et des chargeurs CA/CC aux systèmes industriels. L'utilisation de la technologie GaN WBG peut aider, mais la conception avec GaN exige une attention particulière quant à la configuration des cartes et d'autres questions liées à la commutation haute vitesse.

Comme illustré, une approche plus intégrée basée sur les circuits intégrés d'alimentations à découpage indirectes QR InnoSwitch3 permet aux concepteurs de développer des convertisseurs de puissance haut rendement qui offrent les avantages de performances des commutateurs GaN, tout en réduisant les risques généralement associés à l'adoption d'une nouvelle technologie.

Grâce à InnoSwitch3, au circuit intégré de gestion du courant d'appel et de miniaturisation des condensateurs de masse MinE-CAP de Power Integrations, et aux outils de conception en ligne PI Expert de la société, les concepteurs peuvent mettre en œuvre plus rapidement des alimentations compactes, robustes et rentables avec un faible nombre de composants, répondant aux normes de rendement internationales.

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À propos de l'auteur

Jeff Shepard

Jeff Shepard écrit sur l'électronique de puissance, les composants électroniques et d'autres sujets technologiques depuis plus de 30 ans. Il a commencé à écrire sur l'électronique de puissance en tant que rédacteur en chef à EETimes. Il a ensuite créé Powertechniques, un magazine sur la conception d'électronique de puissance, puis a fondé Darnell Group, une société mondiale de recherche et d'édition en électronique de puissance. Les activités de Darnell Group incluaient la publication de PowerPulse.net, qui fournissait des actualités quotidiennes à la communauté mondiale d'ingénieurs en électronique de puissance. Il est l'auteur d'un manuel sur les alimentations à découpage, intitulé « Power Supplies », publié par la division Reston de Prentice Hall.

Jeff a également co-fondé Jeta Power Systems, un fabricant d'alimentations à découpage haute puissance, qui a été racheté par Computer Products. Jeff est également inventeur, son nom figure sur 17 brevets américains dans les domaines de la récupération d'énergie thermique et des métamatériaux optiques. Il est une source d'information pour l'industrie et donne fréquemment des conférences sur les tendances mondiales en matière d'électronique de puissance. Il est titulaire d'une maîtrise en mathématiques et méthodes quantitatives de l'Université de Californie.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key