Bodite tehnološko agnostični, da bi dobili najboljše za svojo aplikacijo.
Power Integrations
Avtor: Mike Matthews
Če obiščete katerikoli sejem z elementi močnostnih polprevodnikov, ne boste potrebovali veliko časa, da boste videli veliko proizvodov iz GaN (galijevega nitrida) ali SiC (silicijevega karbida). Stikala s široko pasovno vrzeljo (WBG) so prehodila dolgo pot, odkar so veljala za “eksotična” in rezervirana le za aplikacije za radijske in mikrovalovne frekvence ali LED-ice. Te naprave zdaj postajajo vseprisotne iz zelo dobrih razlogov – v številnih aplikacijah prekašajo tradicionalne naprave. Vendar se zlahka ujamemo v to navdušenje, zlasti če se pogovarjamo s podjetjem, ki prodaja le eno tehnologijo.
Že več let so glavni zagovorniki WBG naprav, zlasti GaN, majhna zagonska podjetja. To je povzročilo nekaj napačnih prepričanj: WBG stikala je težko upravljati; GaN in SiC FET so dragi; razpoložljivost komponent je omejena. Vendar so v zadnjih treh do petih letih na trg vstopili številni večji akterji na področju močnostnih polprevodnikov, bodisi z lastnimi izdelki bodisi v partnerstvu z drugim dobaviteljem. Zaradi tega sta GaN in SiC postali uveljavljeni tehnologiji, s katerima lahko dela vsak sposoben inženir, ne pa da sta rezervirani za WBG strokovnjake.
Vendar se številna podjetja – velika in majhna – še vedno jasno zavzemajo za eno ali drugo tehnologijo: “GaN je dober za vse”; “SiC je jasen zmagovalec”. Podjetje Power Integrations pa je drugačnega mnenja. Podjetje v celoti sprejema uporabo polprevodniških WBG tehnologij. To dokazujeta dva dokaza: prvič, da je podjetje Power Integrations po podatkih industrijskih analitikov Yole Développement vodilni dobavitelj integriranih GaN vezij, in drugič, da je podjetje pravkar predstavilo edinstveno SiC rešitev, namenjeno trgu električnih vozil. Podjetje Power Integrations torej uporablja GaN in SiC, da bi izkoristilo izjemne prednosti gostote moči in učinkovitosti, ki jih obe tehnologiji ponujata.
Vendar pa je odnos podjetja do polprevodnikov WBG takšen, da čeprav so zelo zanimivi in omogočajo uporabo, so le del celotne rešitve integriranega vezja, ki bo vključevala tudi inovativne rešitve z uporabo tradicionalnega silicijevega dioksida (SiO2).
Podjetje Power Integrations svoj pristop rado opisuje kot tehnološko agnostični: preprosto izberemo tehnologijo – GaN, SiC ali Si, tisto, ki najbolj ustreza aplikaciji. Zato podjetje Power Integrations nikoli ni poudarjalo svojega vodilnega položaja na področju, na primer GaN. Inženirjem želimo ponuditi rešitve, ki jim omogočajo, da na primer oblikujejo hitri polnilnik z največjo gostoto moči. Ne želimo, da bi se jim bilo treba naučiti vsega o tem, kako upravljati novo polprevodniško tehnologijo; to z našim integriranim pristopom storimo mi namesto njih. Ker naše rešitve integriranih vezij opravljajo veliko več kot le preklapljanje (kar je funkcija elementa GaN ali SiC v ohišju integriranega vezja), jih ne oglašujemo na primer kot “GaN ali SiC naprave”. Namesto tega so to “visoko učinkoviti flyback pretvorniki” ali “najbolj integrirana rešitev za stikalno napajanje z nazivno napetostjo 1700 V, primerna za avtomobilsko industrijo”. In ko bomo menili, da GaN ali SiC ne bosta prinesla nobene pomembne koristi, bomo uporabili svoje strokovno znanje na področju silicijevih tehnologij in razvili vrhunsko učinkovita LLC integrirana vezja, ki temeljijo na FREDFET-ih (angl. Fast-recovery epitaxial diode FETs) ali diodah z zelo nizkim Qrr, ki uporabljajo združeno PiN in Schottky tehnologijo.
Kot primer vzemimo našo družino integriranih vezij InnoSwitch™. Podjetje Power Integrations je že leta 2015 predstavilo prve flyback IC-je InnoSwitch z uporabo silicijevih stikal z različnimi napetostnimi nivoji. Ključna inovacija ni bilo stikalo, temveč edinstvena tehnologija FluxLink™ podjetja Power Integrations, ki omogoča visoko zmogljivo regulacijo na sekundarni strani z enostavnostjo in majhnim številom komponent, ki sta običajno povezani z regulacijo na primarni strani. To omogoča uporabo zelo učinkovite tehnologije sinhronega usmerjanja, kar ima za posledico izjemno učinkovito delovanje v celotnem območju obremenitve z zelo nizko porabo v praznem teku. Naprave zlahka izpolnjujejo vse svetovne predpise o energetski učinkovitosti in izboljšajo zanesljivost, saj so zaradi njih optični sklopniki nepotrebni.
Danes je InnoSwitch flyback platforma: številne naprave še vedno uporabljajo silicijeva stikala, druge pa GaN ali SiC. Vse še vedno uporabljajo zelo hitro magnetno-induktivno povezavo Fluxlink. Naprave InnoSwitch, ki jih poganjajo galij-nitridna stikala Power Integrations PowiGaN™, vključujejo Innoswitch3™-PD, off-line kvaziresonančni flyback integrirano stikalo, ki vključuje USB Type-C in USB-PD krmilnik, do 750 V GaN stikalo, sinhrono usmerjanje in povratni nadzor FluxLink. Drugi del GaN v družini InnoSwitch je InnoSwitch4™-CZ, ki v povezavi z aktivnim integriranim vezjem ClampZero™ (prav tako na osnovi GaN) tvori najmanjši komercialno dobavljivi 110 W polnilec pametnih USB mobilnih naprav.
Podjetje Power Integrations, ki ohranja svojo tehnološko agnostičnost, je pred kratkim predstavilo novo integrirano vezje InnoSwitch predvideno za uporabo v avtomobilski industriji, InnoSwitch™3-AQ s certifikatom AEC-Q100, ki uporablja primarni stikalni MOSFET SiC za doseganje nazivne napetosti 1700 V. Vendar naprave še vedno ohranjajo povratno povezavo FluxLink, ki zagotavlja ojačano izolacijo do 5000 VRMS za nadzor sekundarne strani, natančno regulacijo in izjemno raven prehodni odziv. Sinhrono usmerjanje in kvaziresonančni / CCM flyback krmilnik zagotavljata več kot 90-odstotno učinkovitost. Vezje se zažene pri 30 voltih brez zunanjega vezja, kar je kritično in zahtevano za funkcionalno varnost v avtomobilski industriji. Dodatne zaščitne funkcije vključujejo prenizko vhodno napetost, izhodno prenapetost in omejevanje previsokega toka.
Še en nova GaN komponenta je iz družine integriranih vezij za korekcijo faktorja moči (PFC) HiperPFS-5™ z vgrajenim 750-voltnim stikalom PowiGaN. Z učinkovitostjo do 98,3 odstotka novi integrirani vezji brez hladilnika zagotavljajo moč do 240 W in lahko dosežejo faktor moči boljši od 0,98. IC-ji HiperPFS-5 so namenjeni zmogljivim USB PD adapterjem, televizorjem, igralnim konzolam, računalnikom “vse v enem” in gospodinjskim aparatom. Uporabljata se lahko v povezavi z družino integriranih vezij InnoSwitch flyback podjetja, vendar je zanimivo, da ju je za najvišjo učinkovitost najbolje povezati z drugim nedavno izdelanim silicijevim integriranim vezjem za napajanje, ki ju je razvilo podjetje Power Integrations.
HiperLCS™-2 nabor integriranih vezij uporablja edinstvene 600-voltne FREDFET-e FluxLink podjetja Power Integrations z zaznavanjem toka brez izgub ter visokonapetostnimi in nizkonapetostnimi gonilniki za poenostavitev načrtovanja in izdelave resonančnih pretvornikov moči LLC. Ta visoko integrirana, energetsko učinkovita arhitektura odpravlja hladilnike in zmanjšuje število komponent za do 40 odstotkov v primerjavi z diskretnimi zasnovami. GaN za to aplikacijo ni bil izbran, ker nizka RDS(on) – ključna prednost GaN, pri zasnovi vezja ni posebej ugodna.
Kot še en primer silicijeve tehnologije, ki ima prednost pred rešitvijo WBG, podjetje Power Integrations ponuja tudi združene Pin in Schottkyjeve diode Qspeed™ z zelo nizkim Qrr, ki so koristne za načrtovanje vzporednih zaščitnih vezij v avtomobilskih aplikacijah.
Ne delajte si utvar, da je podjetje Power Integrations v celoti zavezano rešitvam WBG: glejte velike naložbe, ki jih je podjetje vložilo v razvoj lastne tehnologije PowiGaN in vstop na trg električnih vozil s komponentami izdelanimi s SiC tehnologijo. Toda slepo sledenje eni ali več tehnologijam bo neizogibno privedlo do kompromisov in neučinkovitosti. Podjetje Power Integrations ima za svojo mantro vodilno učinkovitost, zato menimo, da je koristneje osredotočiti se na rešitve, kot pa na tehnologije.
