วงจรบูรณาการของไนตริดแกลเลียมสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานได้

ในโลกอิเล็กทรอนิกส์ปัจจุบัน ตัวแปลงไฟจำเป็นสำหรับทุกสิ่งตั้งแต่อุปกรณ์ทางการแพทย์ ที่ชาร์จโทรศัพท์และแล็ปท็อป ไปจนถึงแหล่งจ่ายไฟเสริม ขนาดบรรจุภัณฑ์ที่ลดลงอย่างต่อเนื่อง การจัดการระบายความร้อน แรงดันไฟฟ้าอินพุตแบบแปรผัน และโปรโตคอลการชาร์จอัจฉริยะ ทำให้การออกแบบแหล่งจ่ายไฟและตัวแปลงมีความซับซ้อนมากขึ้น ขณะเดียวกันก็ทำให้ความต้องการประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงขึ้น

ในทศวรรษที่ผ่านมา เทคโนโลยีสวิตช์ใหม่ที่ใช้วงจรรวม (IC) บนชิปแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ได้ถือกำเนิดขึ้น ลักษณะของวงจรแกลเลียมไนไตรด์จะแตกต่างกันไปในระดับอะตอม ดังนั้นผู้ออกแบบตัวแปลงกำลังจึงต้องเผชิญกับทั้งความท้าทายและแนวทางแก้ไข

เซมิคอนดักเตอร์ GaN มีแถบความถี่กว้าง ที่ 3.4 eV แถบความถี่ของมันมีค่ามากกว่าสามเท่าของเซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอน เช่นเดียวกับวัสดุแถบความถี่กว้างอื่นๆ เซมิคอนดักเตอร์ GaN สามารถทำงานได้ที่แรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิสูงถึง+400 ° C ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานด้านพลังงานที่สูงขึ้น รวมถึงการทำงานที่ความถี่ที่สูงขึ้น ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานความถี่วิทยุ (RF) และ 5G

เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอนไอซี วงจรรวม GaN จะปรับการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับทรานซิสเตอร์ให้เหมาะสม เช่น อิมพีแดนซ์แบบอนุกรม (RDS (ON)) และความจุแบบขนาน (COSS) ด้วยขนาดภายนอกที่เล็กกว่าในการใช้งานตัวแปลงพลังงาน ภายในขนาดเดียวกับซิลิคอนไอซี GaN IC ไม่เพียงแต่สามารถรองรับความถี่ที่สูงกว่าเท่านั้น แต่ยังสร้างความร้อนน้อยลงอีกด้วย คุณสมบัตินี้ช่วยให้นักออกแบบสามารถย่อหรือกำจัดแผงระบายความร้อนขนาดใหญ่ได้

อย่างไรก็ตาม การควบคุมทรานซิสเตอร์ GaN อาจเป็นเรื่องที่ท้าทาย ทรานซิสเตอร์ประเภทนี้สามารถทนต่อความถี่สูงได้ ซึ่งหมายความว่าไดรเวอร์ควบคุมจะต้องตั้งอยู่ใกล้กับทรานซิสเตอร์เพื่อขจัดความล่าช้าและลดความเร็วในการเปลี่ยนของทรานซิสเตอร์อย่างมีประสิทธิภาพ โดยหลีกเลี่ยงการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่ไม่จำเป็น ผู้ออกแบบตัวแปลงพลังงานที่ใช้ GaN ขจัดความท้าทายเหล่านี้โดยใช้อุปกรณ์ตัวเดียวที่รวมสวิตช์ไฟแรงดันสูงสำหรับด้านหลัก (อินพุต) และวงจรควบคุม IC และวงจรป้อนกลับสำหรับด้านรอง (เอาต์พุต)

ลักษณะโดยละเอียดของการทำงานของสวิตช์
Power Integrations ใช้เทคโนโลยี PowiGaN ™ InnoSwitch 3 ได้พัฒนาอุปกรณ์แพ็คเกจดังกล่าวหลายซีรีส์ ตัวอย่างเช่น IC สวิตช์การแปลงซีรีส์ InnoSwitch 3-CP (รูปที่ 1) ใช้ตัวควบคุมฟลายแบ็กเสมือนเรโซแนนซ์ (QR) เพื่อจ่ายเอาต์พุตแรงดันคงที่ (CV)/กระแสคงที่ (CC) เพื่อให้ได้กราฟกำลังคงที่ (CP)

ด้านปฐมภูมิและด้านทุติยภูมิของ IC ถูกแยกทางไฟฟ้า แต่แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตและข้อมูลปัจจุบันจะถูกส่งจากตัวควบคุมรองไปยังตัวควบคุมหลักผ่านการคัปปลิ้งแบบเหนี่ยวนำ เทคโนโลยีการสื่อสาร FluxLink สามารถให้ข้อมูลที่แม่นยำได้อย่างรวดเร็วเพื่อให้ได้การตอบสนองโหลดชั่วคราวที่รวดเร็วและสลับความถี่สูงสุด 70 kHz