في عالم اليوم الإلكتروني، هناك حاجة إلى محولات الطاقة من الأجهزة الطبية، وشاحنات الهواتف المحمولة وحواسيب الكمبيوتر المحمولةالجهد المدخل المتغير، وبروتوكولات الشحن الذكية جميعها تعقد تصميمات الطاقة والمحول وتتطلب كفاءة طاقة أعلى.
في العقد الماضي، ظهرت تقنيات جديدة للتبديل باستخدام دوائر متكاملة (IC) على رقاقة نتريد الغاليوم (GaN). تختلف دوائر نتريد الغاليوم في الخصائص على المستوى الذري،لذا فإن مصممي محولات الطاقة يواجهون كل من التحديات والحلول.
يحتوي شبه الموصلات GaN على فجوة واسعة جداً؛ عند 3.4 eV، فإن الفجوة أكثر من ثلاثة أضعاف فجوة أشباه الموصلات السيليكونية. مثل مواد الفجوة واسعة النطاق الأخرى،يمكن أن تعمل أشباه الموصلات GaN في الجهد العالي ودرجات الحرارة تصل إلى + 400 درجة مئوية، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات طاقة أعلى، في ترددات أعلى، وتطبيقات ترددات الراديو (RF) و 5G.
في تطبيقات محول الطاقة ، تعمل وحدة تحكم GaN IC على تحسين الخسائر المرتبطة بالترانزستور مثل عائق السلسلة (RDS (ON) والقدرة المتوازية (COSS) في بُعد عام أصغر من وحدة تحكم السيليكون.داخل نفس البصمة مثل IC السيليكون، لا يمكن لـ GaN IC التعامل مع الترددات العالية فحسب ، بل أيضًا مع الحرارة الأقل. تسمح هذه الميزة للمصممين بتقلص أو القضاء على المشععات الضخمة.
ومع ذلك، فإن التحكم في ترانزستورات GaN يمكن أن يكون صعبا. The ability of this type of transistor to withstand high frequencies means that the control driver must be physically close to this transistor in order to eliminate delays and effectively reduce the switching speed of this transistor to avoid unnecessary electromagnetic interference (EMI). Power converter designers using GaN eliminate these challenges by using a single device that combines a high voltage power switch for the primary side (input) with a control IC for the secondary side (output) and a feedback circuit.
الخصائص التفصيلية لعملية التبديل
تستخدم شركة Power Integrations منتجاتها PopwiGaN TM Technical InnoSwitch3 وقد طورت سلسلات متعددة من هذه الأجهزة التعبئة والتغليف. InnoSwitch3-CP series transfer switch IC (Figure 1) uses a quasi-resonant (QR) anti-excitation controller to provide a constant voltage (CV)/constant current (CC) output to achieve a constant power (CP) curve.
الجانبين الأساسي والثانوي من هذه الوحدة المركزية معزولة كهربائياً،ولكن يتم نقل معلومات الجهد الخارجي والتيار من وحدة التحكم الثانوية إلى وحدة التحكم الرئيسية عن طريق الاقتران الحثيتقنية الاتصالات FluxLink توفر معلومات سريعة ودقيقة للاستجابة العابرة للحمل السريع وتحويل ترددات تصل إلى 70 كيلو هرتز.
ابتكارات الطاقة InnoSwitch3-CP Series Switch-over Switch IC
الشكل 1: المتحكمين الرئيسيين والثانويين لـ InnoSwitch3-CP series transfer switch IC معزولين كهربائياً ، ولكن يمكن مشاركة ردود الفعل عبر رابط تدفق (الخط المقطوع). مصدر الصورة:الابتكارات في الطاقة)
تتعامل الدوائر المتكاملة من سلسلة InnoSwitch3-CP مع الطاقة من 50 واط إلى 100 واط دون الحاجة إلى حوض حرارة ، مما يقلل من الحجم الإجمالي لمصدر الطاقة.هذه المكونات لديها فولتاج تشغيل مستمر اسمي من 650 فولت ولكن يمكن أن تتحمل زيادات حرارية تصل إلى 750 فولت.
بالنسبة لمصادر الطاقة التي تستخدم IC من سلسلة InnoSwitch3-CP ، يتم تحقيق كفاءة الطاقة بنسبة 94٪ ضمن نطاق الحمل المسموح به ، في حين أن المفاتيح القائمة على السيليكون هي كفاءة الطاقة بنسبة 90٪ تقريبًا.سلسلة InnoSwitch3-CP ليست فقط فعالة من حيث الطاقة ولكن أيضًا منخفضة للغاية في استهلاك الطاقة (أقل من 30 ميجاوات)، مما يساعد على الوفاء بوائح كفاءة الطاقة العالمية.
لضمان السلامة و تمديد عمر المكونات ، توفر سلسلة InnoSwitch3-CP IC عزل غالفاني 4000 VAC محسن بين الجانبين الأول والثانوي ،يتوافق مع مختبرات المؤلفين (UL) 1577، وتجتاز كل وحدة اختبار HIPOT. تشمل وظائف السلامة الأخرى الكشف والرد على ترانزستورات تأثير المجال المزامنة (SR FET) ،انخفاض الجهد أو زيادة الجهد في خط الدخول، والإفراط في الجهد الخارجي. وحدة التحكم IC أيضا الحد من التيار الزائد وتغلق قبل حدوث ارتفاع درجة الحرارة.
تُشبه IC من سلسلة InnoSwitch3-EP (الشكل 2) IC من سلسلة InnoSwitch3-CP. هذه IC ليست محسّنة لمخرج طاقة ثابت واحد،ولكن استخدام تقنية تنظيم الجانب الثانوية المزنة (SSR) لمتوسط الجهد الخروج من قنوات متعددة في إشارات التحكم.