Technologie à large bande interdite pour maximiser le rendement et la densité de puissance de l'éclairage LED haute tension

L'éclairage LED haute tension s'est avéré être un substitut viable aux technologies précédentes telles que l'éclairage à décharge à haute intensité (HID). Avec l'adoption de l'éclairage LED haute tension, de nombreux fabricants se sont rués dans la production et la mise en œuvre dans une variété d'applications. Si la qualité de la lumière et la densité de puissance ont considérablement augmenté, le rendement est devenu un aspect important à prendre en compte. En outre, les premières applications ont connu des taux de défaillance beaucoup plus élevés que prévu. Le principal défi de l'éclairage LED haute tension est de continuer à augmenter la densité de puissance et le rendement, et d'améliorer la fiabilité et l'accessibilité financière pour les applications futures. Cet article traite de la technologie à large bande interdite (GaN) et de la manière dont elle peut relever le défi du rendement et de la densité de puissance pour l'éclairage LED haute tension. Cette discussion montre comment la technologie à large bande interdite peut être utilisée pour maximiser le rendement et la densité de puissance, avec l'accent sur le côté abaisseur de l'architecture de circuit d'attaque LED illustrée à la Figure 1.

Les semi-conducteurs à large bande interdite (GaN) peuvent fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées que les semi-conducteurs traditionnels tels que le silicium. Les matériaux à large bande interdite nécessitent une plus grande quantité d'énergie pour exciter un électron et le faire passer du haut de la bande de valence au bas de la bande de conduction où il peut être utilisé dans le circuit. L'augmentation de la bande interdite a donc un impact important sur un dispositif (et permet de réduire la taille de la puce pour accomplir la même tâche). Les matériaux comme le nitrure de gallium (GaN), dont la bande interdite est plus large, peuvent résister à des champs électriques plus puissants. Les attributs essentiels des matériaux à large bande interdite sont la vitesse élevée des électrons libres et la densité supérieure du champ électronique. Grâce à ces attributs clés, les commutateurs GaN sont jusqu'à 10 fois plus rapides et nettement plus petits, tout en présentant la même résistance et la même tension de claquage qu'un composant en silicium similaire. Le GaN est parfaitement adapté aux applications LED haute tension, car ces attributs clés le rendent idéal pour une implémentation dans de futures applications d'éclairage.

Figure 1 : Architecture système d'un circuit d'attaque LED haute puissance non isolé. (Source de l'image : STMicroelectronics)

La Figure 1 montre l'architecture de haut niveau d'une application d'éclairage LED qui servira d'exemple de base pour l'application de la technologie à large bande interdite GaN. Bien que les matériaux à large bande interdite puissent être mis en œuvre dans l'ensemble de l'application, le générateur de courant haute tension abaisseur, mis en évidence en vert, sera le point central pour exploiter la technologie à large bande interdite afin de maximiser le rendement et la densité de puissance. La plupart des applications d'éclairage exigent un facteur de puissance élevé et une faible distorsion harmonique sur une large plage de tensions d'entrée CA. Dans ce cas, il est préférable de mettre en œuvre un élévateur PFC pour fournir une entrée propre de 400 V_CC pour le circuit d'attaque LED et répondre aux exigences de qualité d'alimentation. Il existe de multiples options pour un convertisseur élévateur PFC frontal : mode de transition (TM), mode de conduction continue (CCM), etc. Le mode de transition est caractérisé par un fonctionnement à fréquence variable et une commutation au zéro du courant à la mise sous tension du MOSFET de puissance. Les autres avantages incluent la simplicité de conception, la petite taille de l'inductance et l'absence de recouvrement inverse de la diode élévatrice. Les principaux défis sont les courants d'entrée de crête et RMS élevés, impliquant également un filtre EMI plus grand lorsque la puissance augmente. Le mode CCM, au contraire, fournit un fonctionnement à fréquence fixe. Le courant d'inductance d'élévation a toujours une composante moyenne, en plus des points proches du passage par zéro. L'inductance est conçue pour une ondulation de 20-30 %, ce qui permet un filtre EMI plus petit par rapport au fonctionnement en mode TM. Cela implique également une plus grande inductance élévatrice et un filtre EMI plus petit pour la même puissance de sortie par rapport au fonctionnement en mode TM. Les principaux défis sont une commande plus complexe et la nécessité d'une diode à récupération progressive ultra-rapide ou d'une diode SiC. C'est pourquoi le type PFC CCM est généralement plus cher que PFC TM. Idéalement, un commutateur à recouvrement inverse nul peut être utilisé à la place de la diode de redressement dans les types 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 contrôle CC/CV. Dans les cas où l'isolation est nécessaire, un convertisseur de puissance résonant (LLC, LCC) ou un convertisseur indirect (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 sur sa sortie (supérieure à la crête de la tension CA d'entrée) et transmet cette tension de bus CC supérieure à l'étage du convertisseur abaisseur inversé. Le fonctionnement abaisseur est assez simple. Lorsque le commutateur dans l'abaisseur est activé, la tension d'inductance est la différence entre les tensions d'entrée et de sortie (V_IN – V_OUT). Lorsque le commutateur est désactivé, la diode de roue libre redresse le courant et la tension d'inductance est identique à la tension de sortie.

Système en boîtier (SiP) MasterGaN pour circuits d'attaque LED

Outre la densité de puissance et le rendement, la complexité de conception constitue un défi majeur pour les applications d'éclairage à haute tension. L'utilisation de semi-conducteurs à large bande interdite comme le GaN permet d'augmenter la densité de puissance et le rendement du circuit. La série MasterGaN de ST relève ce défi en combinant des circuits d'attaque de grille haute tension à processus BCD à alimentation intelligente avec des transistors GaN haute tension dans un seul boîtier. Le MasterGaN permet la mise en œuvre aisée de la topologie présentée à la Figure 1. Il intègre deux transistors HEMT GaN 650 V en configuration en demi-pont ainsi que des circuits d'attaque de grille. Dans cet exemple, l'étage de puissance abaisseur complet est intégré dans un seul boîtier QFN 9x9 mm, exigeant un nombre minimal de composants externes. Même la diode auto-élévatrice, généralement nécessaire pour alimenter la section haute tension isolée d'un circuit d'attaque de grille en demi-pont haut potentiel/bas potentiel double, est intégrée dans le SiP. Par conséquent, la densité de puissance d'une application qui utilise un dispositif MasterGaN peut être augmentée de façon spectaculaire par rapport à une solution en silicium standard, sans augmenter la fréquence de commutation ou la puissance de sortie. Plus précisément, dans cette application de circuit d'attaque 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, le mode CCM est le meilleur mode de fonctionnement à utiliser. L'implémentation CCM avec des dispositifs GaN offrira les avantages de haut niveau précédemment mentionnés ainsi qu'une réduction des coûts. Une résistance R_DSON très faible n'est pas nécessaire pour les applications haute puissance, car les pertes de commutation contribuent moins aux pertes de puissance globales. Le GaN atténue également un inconvénient majeur de l'utilisation du mode CCM en éliminant les pertes de recouvrement et en réduisant les EMI, car le GaN ne subit pas de recouvrement inverse. Le fonctionnement CCM avec contrôle du temps d'arrêt fixe simplifie également la compensation de la dépendance de l'ondulation du courant de sortie sur V_OUT. Il est clair que l'implémentation d'un commutateur GaN avec le mode CCM est une excellente combinaison pour les applications d'éclairage LED à haute tension, et pour de nombreuses autres applications.

Le schéma de base d'une topologie de type abaisseur inverse est présenté à la Figure 2, suivi d'une implémentation utilisant le MASTERGAN4.

Figure 2 : Topologie de type abaisseur inverse implémentée avec MASTERGAN4. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le MASTERGAN4 embarque deux transistors GaN 650 V 225 mΩ (typ. à 25°C) en configuration en demi-pont, un circuit d'attaque de grille en demi-pont dédié et la diode auto-élévatrice. Ce haut niveau d'intégration simplifie la conception et minimise la surface du circuit imprimé dans un petit boîtier QFN de 9x9 mm. La carte d'évaluation illustrée à la Figure 3 a été conçue avec le MASTERGAN4 dans une topologie de type abaisseur inverse et présente les spécifications suivantes : elle accepte une entrée jusqu'à 450 V, la tension de sortie de la chaîne de LED peut être définie entre 100 V et 370 V ; elle fonctionne en mode CCM à temps d'arrêt fixe (FOT) avec une fréquence de commutation de 70 kHz ; le courant de sortie maximum est de 1 A.

Figure 3 : Exemple de démonstration de type abaisseur inverse avec MASTERGAN4. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le contrôleur dans cette solution, le HVLED002, est utilisé pour générer un seul signal de commande PWM. Un circuit externe basé sur de simples bascules de Schmitt est ensuite utilisé pour générer deux signaux complémentaires afin de commander les transistors GaN bas potentiel et haut potentiel avec un temps de récupération approprié. Deux régulateurs linéaires sont également inclus pour générer les tensions d'alimentation requises par le MASTERGAN4. La topologie de type abaisseur inverse implémentée avec le MASTERGAN4 offre une solution pour une densité de puissance et un rendement accrus, mais laissons les résultats présentés ci-dessous parler d'eux-mêmes.

Résultats expérimentaux :

Les graphiques de rendement de la Figure 4 montrent les avantages de la solution proposée par rapport à une solution traditionnelle en 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 : Rendement par rapport à la tension LED pour les MOSFET MasterGaN et silicium. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Le rendement du MASTERGAN4 reste égal ou supérieur à 96,8 % sur toute la plage de tensions de la chaîne de LED. Il est possible d'observer qu'à tous les niveaux de puissance, le gain de rendement est maximisé grâce aux faibles pertes par conduction ainsi qu'aux pertes minimales de commande et de commutation de la solution GaN.

Tableau 1 : Comparaison de la taille des MOSFET GaN et silicium

Le Tableau 1 compare la solution silicium avec la solution basée sur MASTERGAN4. Comme on peut le constater, l'implémentation de la conception GaN permet de réduire la surface globale du circuit imprimé de plus de 30 %. Les résultats montrent une voie qui peut être empruntée avec le GaN dans cette topologie de type abaisseur inverse. L'augmentation de la fréquence de commutation au-dessus de 70 kHz peut réduire la taille du condensateur et de l'inductance de sortie au prix de pertes de commande et de commutation plus élevées. À une fréquence plus élevée et avec une taille de filtre réduite, les condensateurs électrolytiques peuvent être remplacés par des condensateurs en céramique plus grands et plus fiables. Le compromis entre la taille de l'inductance d'abaissement et du condensateur de filtrage peut être optimisé en fonction de la fréquence de commutation requise par l'application cible.

Conclusion

Cet article a traité de l'implémentation d'une topologie de type abaisseur inverse pour les applications d'éclairage LED basées sur MASTERGAN4. La configuration de système en boîtier présente des transistors GaN de 650 V, 225 mΩ en demi-pont et des circuits d'attaque de grille dédiés. Par rapport au silicium, la solution GaN présente un rendement plus élevé et une surface de circuit imprimé réduite. La série MasterGaN constitue la solution idéale pour une implémentation de type abaisseur inverse, haute puissance et haut rendement compacte pour les applications d'éclairage.