ในโลกอิเล็กทรอนิกส์ปัจจุบัน ตัวแปลงไฟมีความจำเป็นตั้งแต่อุปกรณ์ทางการแพทย์ ที่ชาร์จโทรศัพท์มือถือและแล็ปท็อปไปจนถึงแหล่งจ่ายไฟเสริม ขนาดบรรจุภัณฑ์ที่เล็กลง การจัดการความร้อน แรงดันไฟฟ้าอินพุตแบบแปรผัน และโปรโตคอลการชาร์จอัจฉริยะ ล้วนทำให้การออกแบบพลังงานและตัวแปลงมีความซับซ้อน และต้องการประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงขึ้น
ในทศวรรษที่ผ่านมา เทคโนโลยีสวิตชิ่งใหม่ๆ ที่ใช้วงจรรวม (IC) บนชิปแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ได้ถือกำเนิดขึ้น วงจรแกลเลียมไนไตรด์มีลักษณะเฉพาะระดับอะตอมแตกต่างกัน ดังนั้นผู้ออกแบบตัวแปลงกำลังจึงต้องเผชิญกับทั้งความท้าทายและแนวทางแก้ไข
เซมิคอนดักเตอร์ GaN มีแถบความถี่ที่กว้างมาก ที่ 3.4 eV แถบความถี่มีค่ามากกว่าสามเท่าของเซมิคอนดักเตอร์ซิลิคอน เช่นเดียวกับวัสดุช่องว่างแถบความถี่กว้างอื่นๆ เซมิคอนดักเตอร์ GaN สามารถทำงานที่แรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิสูงถึง +400 ° C ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานด้านพลังงานที่สูงขึ้น ที่ความถี่ที่สูงขึ้น และในการใช้งานความถี่วิทยุ (RF) และ 5G
ในการใช้งานตัวแปลงพลังงาน GaN IC จะปรับการสูญเสียที่เกี่ยวข้องกับทรานซิสเตอร์ให้เหมาะสม เช่น อนุกรมอิมพีแดนซ์ (RDS (ON) และความจุแบบขนาน (COSS) ในขนาดโดยรวมที่เล็กกว่าซิลิคอน IC GaN IC สามารถรองรับขนาดเดียวกับซิลิคอน IC ไม่เพียงแต่ความถี่ที่สูงขึ้นเท่านั้น แต่ยังมีความร้อนน้อยลงอีกด้วย คุณสมบัตินี้ช่วยให้นักออกแบบสามารถย่อหรือกำจัดหม้อน้ำขนาดใหญ่ได้
อย่างไรก็ตาม การควบคุมทรานซิสเตอร์ GaN อาจยุ่งยาก ความสามารถของทรานซิสเตอร์ประเภทนี้ในการทนต่อความถี่สูงหมายความว่าไดรเวอร์ควบคุมจะต้องอยู่ใกล้กับทรานซิสเตอร์นี้เพื่อลดความล่าช้าและลดความเร็วในการเปลี่ยนของทรานซิสเตอร์นี้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่จำเป็น (EMI) ผู้ออกแบบตัวแปลงกำลังที่ใช้ GaN ขจัดความท้าทายเหล่านี้โดยใช้อุปกรณ์ตัวเดียวที่รวมสวิตช์ไฟแรงสูงสำหรับฝั่งหลัก (อินพุต) เข้ากับ IC ควบคุมสำหรับฝั่งรอง (เอาต์พุต) และวงจรป้อนกลับ
ลักษณะโดยละเอียดของการทำงานของสวิตช์
Power Integrations ใช้ผลิตภัณฑ์ PopwiGaN ™ Technical InnoSwitch3 ได้พัฒนาอุปกรณ์บรรจุภัณฑ์ดังกล่าวหลายชุด ตัวอย่างเช่น IC สวิตช์ถ่ายโอนซีรีส์ InnoSwitch3-CP (รูปที่ 1) ใช้ตัวควบคุมป้องกันการกระตุ้นแบบกึ่งเรโซแนนซ์ (QR) เพื่อจ่ายเอาต์พุตแรงดันคงที่ (CV)/กระแสคงที่ (CC) เพื่อให้ได้เส้นโค้งกำลังคงที่ (CP)
ด้านหลักและด้านรองของ IC นี้มีการแยกทางไฟฟ้า แต่แรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตและข้อมูลปัจจุบันจะถูกส่งจากตัวควบคุมรองไปยังตัวควบคุมหลักผ่านการมีเพศสัมพันธ์แบบเหนี่ยวนำ เทคโนโลยีการสื่อสาร FluxLink ให้ข้อมูลที่รวดเร็วและแม่นยำสำหรับการตอบสนองชั่วคราวของโหลดที่รวดเร็วและการสลับความถี่สูงสุด 70 kHz
นวัตกรรมด้านพลังงาน InnoSwitch3-CP Series Change-over Switch IC
รูปที่ 1: ตัวควบคุมหลักและรองของ IC สวิตช์ถ่ายโอนซีรีส์ InnoSwitch3-CP มีการแยกส่วนด้วยระบบไฟฟ้า แต่สามารถแชร์ความคิดเห็นผ่านลิงก์ฟลักซ์ (เส้นประ) แหล่งที่มาของภาพ: นวัตกรรมด้านพลังงาน)
วงจรรวมซีรีส์ InnoSwitch3-CP รองรับกำลังไฟได้ตั้งแต่ 50 W ถึง 100 W โดยไม่ต้องใช้แผงระบายความร้อน ช่วยลดปริมาณการจ่ายไฟทั้งหมด ส่วนประกอบเหล่านี้มีแรงดันไฟฟ้าในการทำงานต่อเนื่องที่กำหนดที่ 650 V แต่สามารถทนไฟกระชากได้สูงถึง 750 V
สำหรับแหล่งจ่ายไฟที่ใช้ IC ซีรีส์ InnoSwitch3-CP จะประหยัดพลังงานได้ 94% ภายในช่วงโหลดที่อนุญาต ในขณะที่สวิตช์ที่ใช้ซิลิคอนจะประหยัดพลังงานได้ประมาณ 90% ซีรีส์ InnoSwitch3-CP ไม่เพียงแต่ประหยัดพลังงานเท่านั้น แต่ยังใช้พลังงานต่ำมาก (น้อยกว่า 30 mW) ซึ่งช่วยปฏิบัติตามกฎระเบียบด้านประสิทธิภาพพลังงานทั่วโลก
เพื่อความปลอดภัยและยืดอายุการใช้งานของส่วนประกอบ InnoSwitch3-CP Series IC ให้การแยกกัลวานิก 4000 VAC ที่ได้รับการปรับปรุงระหว่างด้านหลักและด้านรอง เป็นไปตาม Underwriters Laboratories (UL) 1577 และแต่ละยูนิตผ่านการทดสอบ HIPOT ฟังก์ชันความปลอดภัยอื่นๆ ได้แก่ การตรวจจับและการตอบสนองต่อวงจรเปิดเกตของทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามแม่เหล็กเรียงกระแสแบบซิงโครนัส (SR FET) แรงดันไฟตกหรือแรงดันไฟเกินของสายอินพุต และแรงดันไฟเกินเอาต์พุต ตัวควบคุม IC ยังจำกัดกระแสไฟเกินและปิดก่อนที่จะเกิดความร้อนสูงเกินไป
IC ซีรีส์ InnoSwitch3-EP (รูปที่ 2) คล้ายกับ IC ซีรีส์ InnoSwitch3-CP IC เหล่านี้ไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับเอาต์พุตกำลังคงที่เดี่ยว แต่ใช้เทคโนโลยี Weighted Secondary Side Regulation (SSR) เพื่อเฉลี่ยแรงดันเอาต์พุตของหลายช่องสัญญาณเป็นสัญญาณควบคุม