إمدادات الطاقة المستندة إلى GaN – أخبار إلكترونيات الطاقة

مع ارتفاع الطلب العالمي على الطاقة ، يتم فرض طلبات متزايدة على أنظمة الإمداد بالطاقة التي تخدم احتياجات متنوعة مثل الإلكترونيات الاستهلاكية والتنقل الإلكتروني ومراكز البيانات والتطبيقات الصناعية. أكبر ثلاثة اتجاهات في إمدادات الطاقة هي:

• الشحن السريع: تعمل بروتوكولات USB PD الجديدة على زيادة قدرة محرك الطاقة لمجموعة من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية. كما يكتسب الشحن الأسرع للمركبة الكهربائية (EV) زخماً. كل ذلك يتضمن الشحن بمستويات طاقة أعلى ، مما يجعل الكفاءة المحسّنة من أجهزة الطاقة ذات فجوة النطاق العريض (WBG) مثل كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN) عامل تمكين رئيسي. يتضمن الشحن الأسرع أيضًا مزيدًا من الذكاء مثل الضبط التلقائي لمحرك الأقراص بناءً على متطلبات التحميل
• الانضغاط: تتطلب تخفيضات الحجم والوزن كثافة طاقة أعلى ، مما يجعل الكفاءة المحسّنة مرة أخرى وطبولوجيا تحويل طاقة أبسط مع SiC و GaN ذات أهمية حيوية. يمكن تبديل أجهزة GaN على وجه الخصوص عند ترددات أعلى بكثير ، مما يسمح بتقليل حجم المغناطيسات ، مع تمكين أيضًا طبولوجيا العد النشط المنخفض مثل المحول القائم على تصحيح عامل الطاقة (PFC) بدون جسور. يؤدي أيضًا عدد أقل من المكونات النشطة في مسار الطاقة إلى تقليل فقد التوصيل وتحسين الكفاءة. يمكن أن تصل مزايا التكلفة الناتجة من مصادر الطاقة المدمجة والأكثر كفاءة القائمة على GaN إلى 30٪ مقارنةً بالسيليكون. تعد كثافة الطاقة العالية مهمة بشكل خاص في تطبيقات المستهلكين والتنقل الإلكتروني لأحمال الطاقة في نطاق 30 واط إلى 3 كيلو واط
• تحسين كفاءة الطاقة: هذا مطلب رئيسي ، خاصة لتوليد الطاقة وأنظمة التوزيع ، نحو الجهد العالمي لتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وجعل توليد الطاقة واستخدامها أكثر استدامة. تعد الكفاءات العالية أمرًا حيويًا لإمدادات الطاقة المخصصة للتطبيقات الصناعية ومراكز البيانات في نطاق 300 واط إلى 3 كيلو واط نظرًا لاستخدام الطاقة الإجمالي الكبير من هذه التطبيقات.

في هذه المقالة ، سنسلط الضوء على عرض تقديمي قدمه تييري بوشيه ، الرئيس التنفيذي لشركة Wise Integration في منتدى الطاقة Electronica 2022 الأخير. جميع الأرقام الواردة في هذا المقال مأخوذة من هذا الحديث ، بعنوان “تحقيق الأداء الأقصى لمزود الطاقة من خلال الجمع بين GaN FET والتحكم الرقمي”. Wise Integration هي شركة فابليس فرنسية تركز على تسويق الدوائر المتكاملة GaN ووحدات التحكم الرقمية لسوق إمداد الطاقة. لقد بدأت كإنتاج منفصل من CEA-LETI ، وتستخدم TSMC لمسبك الويفر و ASE لتعبئة واختبار منتجاتها.

يوضح الشكل 1 تحليل الطلب في سوق إمدادات الطاقة من Yole Group للعامين 2021 و 2025. ومن المتوقع أن يتسارع الطلب على إمدادات الطاقة القائمة على GaN خلال السنوات القليلة القادمة ويمثل 25٪ من إجمالي إيرادات إمداد الطاقة بحلول عام 2025.

المزايا التي يجلبها GaN في التبديل الأسرع والكفاءة المحسنة والتصميمات المدمجة تجلب معها أيضًا تحديات في سيطرتها. تعتمد مصادر الطاقة القائمة على GaN المتوفرة تجاريًا في نطاق 100 واط الفرعي عادةً على طبولوجيا أبسط. للاستفادة الكاملة من التحسينات في كثافة الطاقة والكفاءة التي يمكن أن توفرها GaN ، تم اقتراح طبولوجيا أكثر تعقيدًا مثل الهياكل العكسية النشطة (ACF) وطبولوجيا القطب الطوطم بدون جسور. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون من الصعب التحكم في التحكم في أداء EMI الجيد ، خاصة عند نقاط العبور الصفرية لجهد التيار المتردد. أدى وضع التوصيل المستمر للتبديل الثابت (CCM) إلى زيادة خسائر التبديل عند الترددات الأعلى اللازمة لتحسين الكفاءة والضغط. تسمح محولات وضع التوصيل الحرج (CrCM) ذات القطب الطوطم مع تبديل الجهد الصفري (ZVS) بزيادة تردد التبديل بكفاءة أعلى ، ولكنها تحتاج إلى وحدات تحكم تحويل معقدة ومتغيرة التردد. تحتاج مراحل المقوم المتزامن والمعدل المتزامن إلى وحدات التحكم الخاصة بها والتي تحتاج أيضًا إلى ضبطها وتحسينها على وجه التحديد. يمكن أن يكون استخدام وحدات التحكم التناظرية القائمة على مصدر طاقة السيليكون أمرًا صعبًا للغاية في هذه الهياكل الأكثر تعقيدًا المفضلة لأجهزة GaN ، خاصةً لتحقيق تشويه منخفض وعوامل PFC جيدة بمعدلات تحويل عالية تزيد عن 200 V / ns ممكن مع GaN.

دعنا نلقي نظرة على مصدر طاقة نموذجي قائم على GaN للمستهلك الحالي يستخدم بنية وتحكم يعتمدان على مصدر طاقة السيليكون.

كما هو مبين في المخطط المبسط في الشكل 2 ، سيتكون هذا من مرحلة PFC / المعدل ، ومحول DC / DC LLC مع مقوم متزامن. عادةً ما تستخدم 3 وحدات تحكم تناظرية ، تتطلب تحسين ضبط طويل الأمد ، ومع ذلك لا يتم حصاد الإمكانات الكاملة لـ GaN.

يحتوي Wise Integration على حل تحكم رقمي كما هو موضح في الشكل 3. خط منتجات WiseWare® الخاص بهم عبارة عن وحدات تحكم MCU 32 بت مصممة خصيصًا للتفاعل مع أجهزة الوضع الإلكتروني GaN والدوائر المتكاملة والتحكم فيها ، والتي يتم تسويقها تحت شعار WiseGan®. ستعتمد منتجات WiseWare® الحالية على MCU المتاحة تجاريًا مع البرامج الثابتة المخصصة التي طورتها Wise Integration.

يستبدل WiseWare® 1 وحدات التحكم التناظرية الثلاثة الموضحة في الشكل 2 بوحدة تحكم رقمية واحدة وذكية ، وبالتالي تبسيط تصميم وضبط العرض الكلي. يمكن استخدام WiseWare® 1 مع طبولوجيا PFC القياسية وتوفير تحسينات في كل من كثافة الطاقة والكفاءة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تضمين الإشراف وعناصر الحماية الأخرى لأجهزة GaN في هذا المتحكم الدقيق. يأخذ WiseWare® 2 مفهوم التحكم الرقمي خطوة إلى الأمام ، باستخدام المحاكاة الافتراضية PCF القائمة على الخوارزمية الرقمية. يمكن أن توفر هذه البنية الجديدة تحسينًا بنسبة 30٪ في كثافة الطاقة بالإضافة إلى زيادة الكفاءة مقارنة بهياكل PFC القياسية التي يتحكم فيها WiseWare® 1. تؤدي إزالة المحث الضخم في مرحلة PFC أيضًا إلى تحسين عامل شكل مصدر الطاقة ، والذي يمكن أن يكون مهمًا للغاية في تطبيقات معينة مثل شواحن الكمبيوتر المحمول.

يوضح الشكل 4 عرضًا لإثبات صحة المفهوم (POC) لإمداد طاقة 100 وات USB PD تم إنشاؤه باستخدام WiseGan® و WiseWare® 1. حقق هذا كثافة طاقة تبلغ 33 واط / بوصة³، مما يجعلها أصغر بثلاث مرات من المنافسة.

يوضح الشكل 5 أمثلة للوحات العرض التوضيحي التي أنشأتها Wise Integration لإمدادات الطاقة 300 واط و 150 واط والتي يمكن استخدامها في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية أو أجهزة شحن الكمبيوتر المحمول. يُظهر العمود الأيمن باستخدام WiseWare® 2 تقليل الحجم الذي تم تحقيقه في استبدال مرحلة PFC التقليدية بـ PFC الافتراضية.

يتم توضيح مزايا هذا التحكم الرقمي المتكامل لـ GaN في تحقيق تحسينات في كثافة الطاقة وكفاءتها في الشكل 6 ، والذي يوضح تحليلًا تنافسيًا بين التحكم المستند إلى WiseWare®2 والتحكم التناظري التقليدي لتطبيق شاحن الكمبيوتر المحمول.

وأوضح السيد بوشيه: “يمكن دمج الميزات المحسّنة مثل الحماية من ماس كهربائى في WiseGan® الذي يتم التحكم فيه بواسطة MCU من خلال WiseWare®. يمكن أن يتغلب هذا على بعض القيود في أجهزة الطاقة GaN HEMT. علاوة على ذلك ، فإن منصة WiseWare® 2 الخاصة بنا تخلق مزايا تشغيلية قابلة للتخصيص في مرحلة PFC ، وهو ما يتضح من الكفاءة العالية التي حققناها على منصات اللوحات التجريبية لدينا “.

يتم عرض خارطة طريق تطوير WiseGan® في الشكل 7. يوفر التكامل الحكيم حاليًا أجهزة GaN متصلة نصف جسر في حزمة 6 × 8 PQFN ؛ مع 2^{اختصار الثاني} منتج الجيل الذي يتميز بمحرك بوابة مدمج مستهدف لعام 2023. سيعمل هذا المنتج إما مع وحدات التحكم الرقمية التناظرية أو القائمة على WiseWare®. 3^{بحث وتطوير} تضيف منتجات التوليد تكامل دائرة الاستشعار والحماية.

حصل Sonu Daryanani على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في هندسة الإلكترونيات عام 1993 من جامعة برادفورد بإنجلترا أثناء إجراء بحث في مختبرات AT&T Bell ، نيوجيرسي على الإلكترونيات الضوئية GaAs. على مدار الـ 25 عامًا الماضية ، كان مهندسًا لتكامل العمليات / الأجهزة في Microchip Technology ، AZ حيث عمل على وحدات التحكم الدقيقة والأجهزة المنفصلة. وهو الآن مستشار وكاتب في PowerElectronics News. يمكن الوصول إليه على sldaryanani@gmail.com