Tecnologia de banda proibida larga para maximizar a eficiência e densidade de potência em iluminação LED de alta tensão

A iluminação LED de alta tensão provou ser um substituto viável para tecnologias anteriores, como a iluminação de descarga de alta intensidade (HID). Com a adoção da iluminação LED de alta tensão, muitos fabricantes se apressaram a produzir e implementar em uma variedade de aplicações. Embora tenha havido um aumento significativo na qualidade da luz e na densidade de potência, a eficiência tornou-se um aspecto importante a ser abordado. Além disso, as primeiras aplicações apresentavam taxas de falhas muito mais altas do que o esperado. O principal desafio da iluminação LED de alta tensão é continuar a aumentar a densidade de potência e a eficiência, bem como torná-la confiável e mais acessível para aplicações futuras. Neste artigo, a tecnologia de banda proibida larga (GaN) será coberta e como ela pode abordar o desafio da eficiência e densidade de potência para iluminação LED de alta tensão. Esta discussão mostrará como a tecnologia de banda proibida larga pode ser usada para maximizar a eficiência e a densidade de potência, com foco na porção buck da arquitetura do excitador de LED mostrada na Figura 1.

Os semicondutores de banda proibida larga (GaN) podem operar em frequências de chaveamento mais altas em comparação com semicondutores convencionais como o silício. Materiais de banda proibida larga requerem uma quantidade maior de energia para excitar um elétron, de modo que ele salte do topo da banda de valência para a parte inferior da banda de condução, onde ele pode ser usado no circuito. Aumentar o limite, portanto, tem um grande impacto sobre um dispositivo (e permite que um menor tamanho de molde faça o mesmo trabalho). Materiais como o nitreto de gálio (GaN) que têm uma banda proibida maior podem resistir a campos elétricos mais fortes. Os atributos críticos que os materiais de banda proibida larga têm são altas velocidades de elétrons livres e maior densidade eletrônico do campo. Estes atributos principais fazem com que o GaN comute até 10 vezes mais rápido e significativamente menor, mantendo a mesma resistência e tensão de ruptura de um componente de silício semelhante. O GaN é perfeito para aplicações de LED em alta tensão, pois estes atributos principais o tornam ideal para implementação em futuras aplicações de iluminação.

Figura 1: Arquitetura do sistema de um excitador de LED não isolado de alta potência. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

A figura 1 mostra uma arquitetura de alto nível de uma aplicação de iluminação LED que servirá como exemplo de base para aplicar a tecnologia de banda proibida larga de GaN. Embora os materiais de banda proibida larga possam ser implementados em toda a aplicação, o buck gerador de corrente de alta tensão, destacado em verde, será o foco para aproveitar a tecnologia de banda proibida larga para maximizar a eficiência e a densidade de potência. A maioria das aplicações de iluminação requer alto fator de potência e baixa distorção harmônica em uma ampla faixa de tensão de entrada CA. Neste caso, é preferível implementar um boost com conversor do fator de potência (PFC) para fornecer uma entrada limpa de 400 V_CC para o excitador de LED e atender aos requisitos de qualidade de energia. Há múltiplas opções para um conversor boost de PFC front-end; modo de transição (TM), modo de condução contínua (CCM), bem como outros. O modo de transição é caracterizado pela operação de frequência variável e chaveamento de corrente zero ao ligar o MOSFET de potência. Outras vantagens são o design simples, tamanho pequeno do indutor e nenhuma recuperação reversa do diodo boost. Os principais desafios são o pico alto e a corrente de entrada RMS, o que também resulta em um filtro EMI maior à medida que a potência aumenta. O CCM, ao invés disso, proporciona uma operação de frequência fixa. A corrente do indutor boost tem sempre um componente médio além de pontos de passagem perto de zero. O indutor é projetado para ondulação de 20-30%, resultando em um filtro EMI menor em comparação com a operação TM. Isto também significa um indutor boost maior e um filtro EMI menor para a mesma potência de saída, quando comparado à operação TM. Os principais desafios são um controle mais complexo e a necessidade de um diodo de recuperação suave ultrarrápido ou diodo de SiC. Consequentemente, o PFC CCM é geralmente mais caro que um PFC TM. Idealmente, uma chave de recuperação reversa zero pode ser usada no lugar do diodo retificador nos PFCs CCM. Isto torna os transistores de GaN candidatos muito bons para esta aplicação.

O isolamento é opcional e pode ser introduzido entre o estágio de entrada e o segundo estágio de conversão de energia. Neste exemplo, o isolamento não é usado, e o estágio de entrada PFC é seguido por um estágio buck inverso não isolado com controle CC/CV. Nos casos em que o isolamento é necessário, um conversor de potência ressonante (LLC, LCC) ou um conversor flyback pode ser usado, dependendo dos requisitos de potência de saída da aplicação.

O conversor boost PFC gera uma tensão CC regulada de barramento em sua saída (maior que o pico da tensão CA de entrada) e passa esta tensão CC mais alta de barramento para o estágio de conversor buck invertido. A operação abaixadora é bastante simples. Quando a chave no buck está ligada, a tensão do indutor é a diferença entre as tensões de entrada e saída (V_IN – V_OUT). Quando a chave está desligada, o diodo de captura retifica a corrente e a tensão do indutor é a mesma que a tensão de saída.

Sistema MasterGaN em invólucro (SiP) para excitadores de LED

Junto com a densidade de potência e eficiência, um desafio principal para aplicações de iluminação de alta tensão é a complexidade do projeto. Com o uso de semicondutores de banda proibida larga como o GaN, a densidade de potência e a eficiência do circuito podem ser aumentadas. A família MasterGaN da ST enfrenta esse desafio combinando os acionadores de porta de processo BCD de alta tensão e potência inteligente com transistores de GaN de alta tensão em um único invólucro. MasterGaN permite uma fácil implementação da topologia mostrada na Figura 1. Incorpora dois transistores HEMT de GaN de 650 V na configuração de meia ponte, bem como os acionadores de porta. Neste exemplo, todo o estágio buck de potência está integrado em um único invólucro QFN 9x9 mm que requer uma quantidade mínima de componentes externos. Até mesmo o diodo bootstrap, normalmente necessário para fornecer a seção isolada de alta tensão de um acionador de porta de meia ponte, duplo, do lado de alta/lado de baixa, está embutido no SiP. Consequentemente, a densidade de potência de uma aplicação que utiliza um dispositivo MasterGAN pode ser dramaticamente aumentada em comparação com uma solução padrão de silício, ao mesmo tempo que aumenta a frequência de chaveamento ou a saída de potência. Mais especificamente, nesta aplicação do excitador de LED foi alcançada uma redução de 30% na área de PCI e nenhum dissipador térmico foi utilizado.

Para aplicações de iluminação LED de alta potência, o CCM é o melhor modo de operação a ser utilizado. Ao implementar o CCM com dispositivos de GaN, haverá os benefícios de alto nível discutidos anteriormente, bem como um custo reduzido. Não haveria necessidade de um R_DSON muito baixo para atender aplicações de alta potência devido à reduzida contribuição da perda de chaveamento para as perdas totais de potência. O GaN também mitiga uma grande desvantagem do uso do CCM, eliminando perdas de recuperação e reduzindo o EMI, já que o GaN não experimenta recuperação reversa. O funcionamento do CCM com controle de Tempo Fixo de Desligamento também facilita muito a compensação da dependência da ondulação da corrente de saída em V_OUT. É claro que a implementação da chave de GaN usando CCM é uma ótima combinação para aplicações de iluminação LED de alta tensão, assim como muitas outras.

O esquema básico de uma topologia de Buck Inverso é mostrado na Figura 2 junto com uma implementação que utiliza o MASTERGAN4.

Figura 2: Topologia de buck inverso implementada com MASTERGAN4. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

MASTERGAN4 incorpora dois transistores de GaN de 225 mΩ (típico a 25°C) de 650 V em configuração de meia ponte, um acionador de pota dedicado de meia ponte e o diodo bootstrap. Este alto nível de integração simplifica o projeto e minimiza a área de PCI em um pequeno invólucro QFN de 9x9 mm. A placa de avaliação que é mostrada na Figura 3, foi projetada com o MASTERGAN4 em uma topologia de buck inverso que tem as seguintes especificações: aceita até 450 V de entrada, a tensão de saída da cadeia de LEDs pode ser ajustada entre 100 V e 370 V; opera em CCM com Tempo Fixo de Desligamento (FOT) a uma frequência de chaveamento de 70 kHz; a corrente máxima de saída é de 1 A.

Figura 3: Exemplo de demonstração de Buck Inverso com MASTERGaN4. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

O controlador nesta solução, o HVLED002, é usado para gerar um único sinal de controle PWM. Um circuito externo baseado em disparadores Schmitt simples é então usado para gerar dois sinais complementares para acionar os transistores de GaN dos lados de alta e de baixa com um tempo morto adequado. Dois reguladores lineares também estão incluídos para gerar as tensões de alimentação necessárias para o MASTERGAN4. A topologia de buck inverso implementada com MASTERGAN4 cria uma solução para aumentar a densidade de potência e a eficiência, mas deixe que os resultados discutidos abaixo falem por si mesmos.

Resultados experimentais:

Os gráficos de eficiência na Figura 4 mostram as vantagens da solução proposta em relação a uma solução tradicional de silício em função da tensão da cadeia de LEDs para correntes de saída de 0,5 A e 1 A.

Figura 4: Eficiência vs. tensão do LED para MasterGaN e MOSFET de silício. (Fonte da imagem: STMicroelectronics)

A eficiência do MASTERGAN4 permanece igual ou superior a 96,8% em toda a faixa de tensão da cadeia de LEDs. É possível observar que em todos os níveis de potência o ganho de eficiência é maximizado graças às baixas perdas de condução, bem como as perdas mínimas de chaveamento da solução de GaN.

Tabela 1: Comparação de tamanho para MOSFET de GaN e silício

A tabela 1 compara a solução de silício com a solução à base de MASTERGAN4. Como pode ser visto, mais de 30% de redução geral da área da PCI é mostrada com a implementação do projeto de GaN. Os resultados mostram um caminho que pode ser percorrido com o GaN nesta topologia de buck inverso. Aumentar a frequência de chaveamento acima de 70 kHz pode diminuir o tamanho do indutor de saída e do capacitor às custas de maiores perdas de acionamento e chaveamento. A uma frequência maior e tamanho de filtro reduzido, capacitores eletrolíticos podem ser substituídos por capacitores de cerâmica mais confiáveis e maiores. A compensação entre o tamanho do capacitor do filtro e do indutor buck pode ser otimizada com base na frequência de chaveamento exigida pela aplicação final.

Conclusões

Este artigo discutiu a implementação de uma topologia de buck inverso para aplicações de iluminação LED baseada em MASTERGAN4. O sistema na configuração de invólucro possui transistores de GaN de 650 V, 225 mΩ na configuração de meia ponte e acionadores de porta dedicados. A solução de GaN vs. silício mostra maior eficiência e menor área de PCI. MasterGaN é a solução ideal para uma implementação de buck inverso compacto, de alta eficiência e de alta potência para aplicações de iluminação.