Non ci sono prodotti a carrello.
I vantaggi del GaN a bassa potenza in comuni topologie di potenza CA/CC
Autore: Noah Rodriguez, Product Marketing Engeneer at Texas Instruments
I consumatori desiderano avere caricabatterie portatili, veloci ed efficienti per i diversi dispositivi elettronici che portano con sé ogni giorno. Sempre più dispositivi elettronici stanno passando ai caricabatterie USB Type-C® e la domanda di alimentatori compatti in grado di ricaricare tutti questi dispositivi è in rapida crescita.
La sfida nel campo della progettazione di moderni caricabatterie mobili USB Type-C, alimentatori per PC e per TV per il mercato consumer consiste nel ridurre le dimensioni delle soluzioni adottate, pur mantenendo lo stesso livello di potenza o aumentandolo. I dispositivi al nitruro di gallio (GaN) a bassa potenza di TI contribuiscono ad affrontare questo problema in gran parte delle topologie più diffuse, offrendo al tempo stesso vantaggi dal punto di vista termico, delle dimensioni e dell’integrazione. Unitamente allo sviluppo di tecnologie ad ampio bandgap, come il GaN negli ultimi due decenni, vi sono stati nuovi miglioramenti nelle topologie CA/CC in termini di efficienza e funzionalità. In questo articolo verranno analizzati più a fondo i vantaggi e la compatibilità di questi dispositivi nelle topologie più diffuse per queste applicazioni, nonché in alcune nuove topologie interessanti.
Come ottenere la massima efficienza e densità di potenza con topologie ACF e AHB
Esistono due topologie half-bridge di recente sviluppo che ottimizzano l’efficienza offrendo al tempo stesso funzionalità a tensione di uscita variabile. Le topologie ACF (active clamp flyback) e AHB (asymmetric half-bridge), come mostrato in Figura 1, possono contribuire a massimizzare l’efficienza e la densità di potenza negli stadi CC/CC. Anziché utilizzare un circuito soppressore soggetto a perdite, come in un flyback quasi risonante (QR) o ZVS (zero voltage switching, commutazione a tensione zero), le topologie ACF e AHB sono in grado di riciclare l’energia di dispersione verso l’uscita, migliorando ulteriormente l’efficienza. Queste due topologie sono anche in grado di eliminare completamente i picchi di tensione sul transistor a effetto di campo (FET) low-side, consentendo di utilizzare FET raddrizzatori sincroni a tensione inferiore sul lato secondario. Inoltre, la topologia AHB non richiede un secondo filtro di uscita e permette di realizzare una soluzione nel complesso più piccola e a costi inferiori.
Figura 1: Le topologie AHB e ACF
I FET GaN integrati LMG3622, LMG3624 ed LMG3626 sono dotati di una caratteristica integrata di rilevamento della corrente «senza perdite» che può contribuire a migliorare ulteriormente l’efficienza riducendo le perdite di potenza, come mostrato in Figura 2. Ad esempio, in un ACF da 65 W il rilevamento della corrente andrebbe a contribuire per perdite inferiori a 10 mW, mentre uno schema di rilevamento della corrente tradizionale contribuirebbe per perdite pari a circa 170 mW. Qualsiasi topologia che richieda un controllo della modalità di corrente, comprese ACF, AHB e altre, trarrebbe notevoli vantaggi da questa notevole riduzione delle perdite e consentirebbe di realizzare una soluzione complessivamente più efficiente.
Figura 2: Confronto della perdita di potenza fra rilevamento della corrente integrato e tradizionale
Topologia PFC Totem-Pole per progetti con potenza più elevata
Nella maggior parte del mondo è richiesto uno stadio PFC (power factor correction) una volta che si raggiungono livelli di potenza superiori ai 70 W. In questo stadio, se si desidera trarre vantaggio dalle possibilità offerte dal GaN, è probabile che si prenda in considerazione la topologia PFC Totem-Pole, come mostrato in Figura 3. La rimozione del raddrizzatore a ponte rafforza il valore dei FET GaN in questa topologia per via delle loro perdite di recupero inverso nulle.
Figura 3: La topologia PFC Totem-Pole
I MOSFET (transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo) sono dotati di un body diode che li rende praticamente inutilizzabili in questa topologia a causa della loro elevata carica di recupero inverso, mentre le soluzioni al carburo di silicio (SiC) offrono soltanto un miglioramento ridotto in termini di carica di recupero inverso. D’altro canto, l’LMG3624 offre uno slew rate regolabile che permette di trovare l’equilibrio migliore tra disturbi elettromagnetici ed efficienza nel sistema in questione.
Il GaN a bassa potenza nelle topologie QR, ZVS, LLC e PFC boost
Sebbene le topologie più recenti abbiano iniziato a prendere piede, l’utilizzo del GaN integrato con le topologie tradizionali continua a presentare evidenti vantaggi. L’introduzione del GaN in flyback QR, flyback ZVS e PFC boost tradizionale si è diffusa in quanto è sufficiente sostituire un singolo FET a commutazione con un FET GaN per notare miglioramenti in termini di efficienza e frequenza di commutazione (in gran parte grazie alla minore capacità di ingresso del GaN, che si traduce in minori perdite di spegnimento). Inoltre, il FET GaN LMG3624 presenta una bassa corrente di riposo, che può essere ulteriormente ridotta dalla modalità standby. Le topologie QR, ZVS e PFC boost traggono inoltre vantaggio dal rilevamento di corrente integrato senza perdite nell’LMG3624.
La tipologia a convertitore risonante LLC esiste da decenni ed è apprezzata in applicazioni a tensione di uscita fissa, come negli alimentatori per computer portatili e TV, nei quali non è presente un controller USB Type-C che gestisce la tensione di uscita. La topologia LLC, inoltre, permette di ottenere la massima efficienza del trasformatore rispetto alla maggior parte delle topologie CC/CC half-bridge.
Conclusione
Data la continua crescita della domanda di soluzioni CA/CC di minori dimensioni e più efficienti, i consumatori preferiscono avere alimentatori più piccoli per una maggiore mobilità. Negli ambienti industriali, le unità di alimentazione elettrica (PSU) ad alta efficienza stanno diventando necessarie al crescere della richiesta di potenza di PC utilizzati come unità di elaborazione grafica. Inoltre, le PSU di minore spessore stanno aprendo la strada alle TV di fascia alta più sottili. La versatilità dell’LMG3624 contribuisce a soddisfare i requisiti di queste applicazioni offrendo funzionalità e vantaggi che è possibile integrare in tutte le topologie trattate in questo articolo.
Risorse supplementari
Leggete la panoramica prodotti della famiglia LMG362x di FET GaN a bassa potenza.
Leggete come il GaN consente un’elevata efficienza nei progetti di potenza basati su PFC Totem-Pole.
Consultate il progetto di riferimento per convertitore flyback quasi risonante ad alta densità LMG3622EVM-082 a 65 W USB-C PD.
