أخبار التكنولوجيا

محول LLC بقدرة 400 واط باستخدام تقنية GaN IC ذات نصف الجسر المتكامل للغاية



محطات العمل المحمولة هي أجهزة كمبيوتر محمولة عالية الأداء تسمح للمحترفين بتشغيل التطبيقات مثل تحرير الصور والفيديو والألعاب والعرض ثلاثي الأبعاد ومهام CAD/CAM والمزيد. تتطلب مثل هذه الأجهزة، المجهزة بوحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات المتعطشة للطاقة، وحدة إمداد طاقة (PSU) في نطاق 300 واط إلى 500 واط. إن تصميم وحدة PSU هذه صعب للغاية بسبب قيود المساحة والسمك التي تتطلب كثافات طاقة عالية . وتشمل التطبيقات الأخرى ذات متطلبات الطاقة المماثلة أجهزة تلفزيون OLED ذات الشاشات العريضة، بالإضافة إلى أجهزة الكمبيوتر المكتبية التي تدمج مكونات الكمبيوتر الرئيسية — وحدة المعالجة المركزية والشاشة ومكبرات الصوت — في وحدة واحدة أنيقة.

في ورقة بحثية تم تقديمها في مؤتمر APEC في فبراير 2024، عرضت شركة Navitas Semiconductor نموذجًا أوليًا للمحول مع طوبولوجيا LLC التي تحول 400 فولت تيار مستمر إلى 24 فولت تيار مستمر. تتميز وحدة المحول بمظهر جانبي يبلغ 8 مم فقط مع كثافة طاقة رائعة (21.5 كيلووات/لتر). تبلغ كفاءة الذروة 98.1%، في حين تصل كفاءة التحميل الكامل (400 واط) إلى 97.4%.

طوبولوجيا محول 400 واط

عادةً ما تتكون وحدة PSU بقدرة 400 واط لمثل هذه الأجهزة، مثل تلك الموجودة داخل شاشة Studio الخاصة بشركة Apple، من مرحلتين. تعمل دائرة تعزيز تصحيح عامل الطاقة (PFC) على تحويل جهد التيار المتردد من التيار الكهربائي إلى 380 فولت تيار مستمر. المرحلة الثانية عبارة عن محول DC/DC معزول LLC في تكوين نصف جسر ينتج جهدًا منظمًا يبلغ 20 فولت و24 فولت. يظهر الشكل 1 الدائرة النموذجية التي تنفذ محول الطاقة هذا.

طوبولوجيا محول الطاقة على مرحلتين.
الشكل 1: طوبولوجيا محول الطاقة ثنائي المرحلتين (المصدر: Li, B., Huang, X., & Zhang, J., 2024)

لتحقيق مقايضة جيدة بين الكفاءة وانبعاثات EMI، يتم تشغيل تعزيز PFC بتردد تحويل قدره 65 كيلو هرتز. على العكس من ذلك، يمكن لمحول الرنين LLC التبديل عند تردد قريب من 150 كيلو هرتز بسبب انخفاض خسائر التبديل.

GaN هي التكنولوجيا الصحيحة

لقد أتاح التوافر التجاري لترانزستورات GaN إمكانية زيادة سرعة تحويل محولات الطاقة. ونتيجة لذلك، يمكن بسهولة دمج المحولات المستوية في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور مع تقليل حجم المغناطيسات بشكل كبير. من الممكن أيضًا دمج محرِّض الرنين في المحول، مع مزيد من المكاسب من حيث التصغير. تم تصميم المحولات المستوية والمحاثات المستوية بهياكل مسطحة ذات طبقات بدلاً من ملفات الأسلاك الملفوفة التقليدية.

يمكن تسهيل بناء محول LLC عالي الكفاءة وعالي الكثافة من خلال استخدام الدوائر المتكاملة GaNFast نصف الجسر المملوكة لشركة Navitas مع GaNSense. تشتمل المكونات على اثنين من GaN FETs ومحركات بالإضافة إلى التحكم، ومبدلات المستوى، وحزام التمهيد (لتشغيل المفتاح العلوي)، والاستشعار والحماية الموجودة في حزمة QFN منخفضة المستوى ومُحسّنة حرارياً مقاس 6 × 8 مم. يقدم الشكل 2 مزيدًا من التفاصيل حول دبابيس الحزمة ووسادات التبريد.

تشتمل دبابيس الإدخال/الإخراج عالية الجانب على دبابيس إمداد IC عالية الجانب، وتتضمن دبابيس الإدخال/الإخراج المنخفضة الجانب مدخلات PWM والتحكم في تشغيل dV/dt وإخراج استشعار التيار. يتم فصل لوحة المصدر ذات الجانب المنخفض المزودة بدبابيس الإدخال/الإخراج عن لوحة المصدر ذات الجانب العالي المزودة بدبابيس الإدخال/الإخراج بمسافة زحف مناسبة عالية الجهد. يتم إخلاء الحرارة المتولدة من ترانزستورات GaN من خلال منصات تبريد المصدر الموجودة في الجانب السفلي من حزمة QFN إلى PCB. يتم بعد ذلك استخدام مناطق النحاس الكبيرة من ثنائي الفينيل متعدد الكلور والمنافذ الحرارية لتوصيل الحرارة إلى الجانب المقابل من ثنائي الفينيل متعدد الكلور و/أو إلى المزيد من الطبقات التي تحتوي على مستويات نحاسية كبيرة، حيث يمكن بعد ذلك نشرها.

Navitas GaN نصف جسر IC.
الشكل 2: نصف الجسر IC من Navitas GaN (المصدر: Navitas Semiconductor)

تشغيل محول الرنين LLC

من الشكل 1، يمكننا أن نرى أن قسم LLC يتكون من نصف جسر، ودائرة خزان رنانة، وشبكة محولات ومقومات يتم تحقيقها باستخدام مقوم متزامن (SR) FETs بدلاً من الثنائيات لتحسين الكفاءة والقيادة. يتم تشغيل مفتاحي نصف الجسر بدورة تشغيل تبلغ 50% (في الواقع، يُسمح بوقت ميت لتجنب أي خطر إطلاق النار من خلاله)؛ وبالتالي، يتم إنشاء موجة مربعة عند مدخل خزان الرنين، الذي يعمل كمرشح لإنتاج موجة جيبية من التردد الأساسي. يتم بعد ذلك نقل الموجة الجيبية إلى الجانب الثانوي من خلال محول التردد العالي، مما يؤدي إلى خفض الجهد. وأخيرًا، تقوم SRs بتحويل الموجة الجيبية إلى خرج تيار مستمر ثابت. يتم تحقيق كفاءة محول LLC من خلال قدرة خزان الرنين على السماح بالتبديل الناعم وتقليل خسائر التبديل.

يصور الشكل 3 مخططًا تخطيطيًا لخزان الرنين، المصنوع بواسطة مكثف الرنين Cص، موصل الرنين Lص، مغنطة الحث Lم والحمل المكافئ للتيار المتردد Rتكييف. يتمتع محول LLC بنطاق واسع من التشغيل والكفاءة العالية بفضل ترددي الرنين: Fص1 = 1 ÷ [2p√(LrCr)] و Fص2 = 1 ÷ [2p√(Lr + Lm)Cr]، مع Fص1 > Fص2. عند التردد F > Fص1، فإن مقاومة الإدخال لخزان الرنين المحمل تكون حثية، في حين أن F < Fص2، مقاومة الإدخال بالسعة. في منطقة التردد Fص2 < F < Fص1، يمكن أن تكون الممانعة حثية أو سعوية اعتمادًا على مقاومة الحمل R. يعمل محول الرنين LLC عادةً في المنطقة التي تكون فيها مقاومة الإدخال لخزان الرنين حثية؛ أي أنه يزيد مع التردد. وهذا يعني أنه يمكن التحكم في تدفق الطاقة عن طريق تغيير تردد تشغيل المحول بحيث يؤدي انخفاض الطلب على الطاقة من الحمل إلى ارتفاع التردد، في حين أن زيادة الطلب على الطاقة يؤدي إلى انخفاض التردد.

رسم تخطيطي مكافئ لخزان الرنين.
الشكل 3: رسم تخطيطي مكافئ لخزان الرنين. رتكييف هي مقاومة الحمل المكافئة للتيار المتردد.

تصميم مغناطيسي

يعد محول المصفوفة حلاً جيدًا للمحولات المستوية المعتمدة على ثنائي الفينيل متعدد الكلور. يتكون محول المصفوفة من عدد من “العناصر” الأصغر الموصولة ببعضها البعض في المصفوفة. تؤدي العناصر ذات المقاطع العرضية الصغيرة إلى محولات منخفضة المستوى يمكنها التعامل مع الطاقة العالية. تعتبر العناصر الصغيرة أيضًا أكثر كفاءة في إزالة الحرارة وأسهل في التبديد الحرارة. ينشأ اسم “محول المصفوفة” من تكوينه الأولي، الذي كان يحتوي على صفوف وأعمدة. يمكن لمحول مصفوفة بأربعة أعمدة وثلاثة صفوف أن يعطي نسبة دوران فعالة تبلغ 4:3.

يعد نموذج الممانعة المكافئة لمحول المصفوفة لتصميم LLC الرنان معقدًا للغاية، ولكن المعادلات المباشرة نسبيًا تسمح بحساب Lص– يساوي محاثة التسرب للبنية المغناطيسية المتكاملة – و Lم. علاوة على ذلك، يمكن الحصول على نسخة معدلة من محول المصفوفة الذي يقلل من كثافة التدفق في اللوحة الأساسية مقارنة بمحول المصفوفة التقليدي. في الترتيب المعدل، يتم توزيع كثافة التدفق للوحة الأساسية عبر اللوحة بأكملها وبالتالي تصبح أقل بكثير. ونتيجة لذلك، يتم تقليل فقدان القلب بشكل كبير، وفي الوقت نفسه، يصبح سمك الصفائح أصغر.

وحدة المحول، التي تم اختبارها عند 500 كيلو هرتز وطاقة خرج 400 واط مع الإدارة الحرارية، مدمجة بشكل كبير من حيث أنها تحتوي على نصف جسر NV6247 IC مع Cص، خرج SR ومكثفات الإخراج، لذلك فهو يحتاج فقط إلى إشارة PWM ومصدر طاقة ليعمل. مسافة الزحف بحد أدنى 7 مم تضمن السلامة حتى للاستخدام العملي. يمكن لمحول الطاقة أيضًا توفير 300 واط بالحمل الحراري الطبيعي. حجم الوحدة هو 62.5 × 37.2 × 8 ملم وتصل كثافة الطاقة إلى 21.5 كيلو واط/لتر (0.35 كيلو واط/بوصة).3).

ظهر محول 400-W LLC باستخدام تقنية Half-Bridge GaN IC المتكاملة للغاية للمرة الأولى في Power Electronics News.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *