No mundo eletrônico de hoje, os conversores de energia são necessários para tudo, desde dispositivos médicos, carregadores de telefones e laptops até fontes de alimentação auxiliares. O tamanho cada vez menor da embalagem, o gerenciamento térmico, a tensão de entrada variável e os protocolos de carregamento inteligentes tornaram o projeto de fontes de alimentação e conversores cada vez mais complexo, ao mesmo tempo que impõem maiores demandas à eficiência energética.
Na última década, surgiram novas tecnologias de switch utilizando circuitos integrados (ICs) on-chip de nitreto de gálio (GaN). As características dos circuitos de nitreto de gálio variam em nível atômico, de modo que os projetistas de conversores de energia enfrentam desafios e soluções.
Os semicondutores GaN têm um amplo bandgap; A 3,4 eV, seu bandgap é mais de três vezes maior que o dos semicondutores de silício. Como outros materiais de banda larga, os semicondutores GaN são capazes de operar em tensões e temperaturas mais altas de até +400°C, tornando-os adequados para aplicações de maior potência, bem como operar em frequências mais altas, tornando-os adequados para aplicações de radiofrequência (RF) e 5G.
Em comparação com os ICs de silício, os circuitos integrados GaN otimizam as perdas relacionadas aos transistores, como impedância em série (RDS (ON)) e capacitância paralela (COSS) com dimensões externas menores em aplicações de conversores de energia. Dentro da mesma área ocupada pelos ICs de silício, os ICs GaN podem não apenas lidar com frequências mais altas, mas também gerar menos calor. Esse recurso permite que os projetistas reduzam ou eliminem dissipadores de calor volumosos.
No entanto, o controle dos transistores GaN pode ser um desafio. Este tipo de transistor pode suportar altas frequências, o que significa que o driver de controle deve estar fisicamente localizado próximo ao transistor para eliminar atrasos e reduzir efetivamente a velocidade de comutação do transistor, evitando interferência eletromagnética (EMI) desnecessária. Os projetistas de conversores de energia que usam GaN eliminam esses desafios usando um único dispositivo que combina uma chave de alimentação de alta tensão para o lado primário (entrada) e um IC de controle e circuito de feedback para o lado secundário (saída).
Características detalhadas da operação do switch
Power Integrations utiliza a tecnologia PowiGaN ™ InnoSwitch 3 e desenvolveu várias séries desses dispositivos empacotados. Por exemplo, o IC da chave de conversão da série InnoSwitch 3-CP (Figura 1) usa um controlador flyback quase ressonante (QR) para fornecer saídas de tensão constante (CV)/corrente constante (CC) para obter uma curva de potência constante (CP).
Os lados primário e secundário do IC são eletricamente isolados, mas a tensão de saída e as informações de corrente são transmitidas do controlador secundário para o controlador primário através de acoplamento indutivo. A tecnologia de comunicação FluxLink pode fornecer rapidamente informações precisas para obter resposta transitória de carga rápida e frequências de comutação de até 70 kHz.