Los circuitos integrados de nitruro de galio aumentan la eficiencia de las fuentes de alimentación

En el mundo electrónico actual, los convertidores de potencia son necesarios para todo, desde dispositivos médicos hasta cargadores de móviles y portátiles, pasando por fuentes de alimentación auxiliares. La reducción del tamaño de los envases, la gestión del calor, las tensiones de entrada variables y los protocolos de carga inteligentes complican el diseño de las fuentes de alimentación y los convertidores, al tiempo que aumenta el énfasis en la eficiencia.

En la última década han surgido nuevas tecnologías de conmutación que utilizan circuitos integrados (CI) en chips de nitruro de galio (GaN). Los circuitos de GaN se comportan de forma diferente a nivel atómico, lo que plantea tanto desafíos como soluciones a los diseñadores de convertidores de potencia.

Los semiconductores de GaN tienen una banda prohibida amplia de 3.4 eV, más del triple que el de los semiconductores de silicio. Al igual que otros materiales de banda prohibida ancha, los semiconductores GaN son capaces de funcionar a voltajes más altos, temperaturas de hasta más de 400 °C que permiten su uso en aplicaciones de mayor potencia, y frecuencias más altas que los hacen útiles en aplicaciones de radiofrecuencia (RF) y 5G.

En aplicaciones de convertidores de potencia, los circuitos integrados de GaN optimizan las pérdidas relacionadas con los transistores, como la impedancia en serie (R_DS(ON)) y la capacitancia en paralelo (C_OSS), con tamaños físicos más pequeños que los circuitos integrados de silicio. En el mismo espacio que un CI de silicio, los CI de GaN pueden manejar frecuencias más altas y generar menos calor, una propiedad que puede permitir a los diseñadores reducir el tamaño o eliminar los voluminosos disipadores térmicos.

Sin embargo, los transistores GaN pueden ser difíciles de controlar. Su tolerancia a las altas frecuencias significa que el controlador debe estar físicamente cerca del transistor para eliminar la latencia y ralentizar eficazmente la velocidad de conmutación del transistor, evitando interferencias electromagnéticas (EMI) no deseadas. Los diseñadores de convertidores de potencia que utilizan GaN superan estos retos utilizando un único dispositivo que combina interruptores de potencia de alto voltaje para el lado primario (entrada) y CI de control para el lado secundario (salida), junto con circuitos de realimentación.

Particularidades de la conmutación

Power Integrations ha creado varias familias de estos paquetes utilizando su tecnología InnoSwitch3 con PowiGaN™. Por ejemplo, la familia de CI de conmutación InnoSwitch3-CP (Figura 1) utiliza controladores flyback cuasirresonantes (QR) para suministrar salidas de tensión constante (CV)/corriente constante (CC) para un perfil de potencia constante (CP).

Los lados primario y secundario del CI están aislados galvánicamente, pero la información sobre la tensión y la corriente de salida se transmite del controlador secundario al primario mediante acoplamiento inductivo. Esta tecnología de comunicación FluxLink proporciona rápidamente información precisa para permitir respuestas rápidas a transitorios de carga y frecuencias de conmutación de hasta 70 kHz.

Figura 1: La familia de CI de conmutadores InnoSwitch3-CP tiene controladores primarios y secundarios aislados galvánicamente, pero que comparten la realimentación a través de un enlace magnético (línea de puntos). (Fuente de la imagen: Power Innovations)

Los CI de la familia InnoSwitch3-CP pueden soportar entre 50 y 100 W sin necesidad de disipadores térmicos, lo que reduce el volumen total de la fuente de alimentación. Estos componentes están preparados para un funcionamiento continuo a 650 V, pero son capaces de soportar sobretensiones de hasta 750 V. Los modelos industriales están diseñados para soportar 900 V o 1,700 V.

Las fuentes de alimentación que utilizan CI de la familia InnoSwitch3-CP demuestran una eficiencia de 94% en todo el rango de carga admisible, frente a los aproximadamente 90% de los interruptores basados en silicio. Esta alta eficiencia, junto con su mínimo consumo de energía (menos de 30 mW), ayuda a la familia InnoSwitch3-CP a cumplir la normativa mundial sobre eficiencia energética.

Para garantizar la seguridad y una larga vida útil de los componentes, la familia de CI InnoSwitch3-CP cuenta con un aislamiento galvánico reforzado de 4,000 V_CA según Underwriters Laboratories (UL) 1577 entre los lados primario y secundario, y cada unidad se somete a la prueba HIPOT. Otras funciones de seguridad son la detección y respuesta a una puerta abierta en el transistor de efecto de campo rectificador síncrono (SR FET), la subtensión o sobretensión de la línea de entrada y la sobretensión de salida. El controlador de CI también puede limitar la sobrecorriente y apagarse antes del sobrecalentamiento.

Los CI de la familia InnoSwitch3-EP (Figura 2) son similares a los de la familia InnoSwitch3-CP. En lugar de estar optimizados para una única salida de potencia constante, utilizan la regulación ponderada del lado secundario (SSR) para promediar las tensiones de varias salidas en una señal de control.

Figura 2: La familia de CI de conmutadores InnoSwitch3-EP tiene un rango de potencia de salida que depende de la tensión de entrada. Con un esquema similar al de los CI InnoSwitch3-CP, disponen de una resistencia opcional de detección de corriente en el lado secundario. (Fuente de la imagen: Power Innovations)

La familia de CI InnoSwitch3-EP también tiene una salida dependiente de la tensión. A 750 V, los CI InnoSwitch3-EP producen entre 50 y 100 W; a 1,250 V, hasta 85 W. Diseñados para el funcionamiento de interruptores de alto voltaje, tienen una tensión de ruptura de 1,700 V.

En el lado secundario, una resistencia de detección de corriente es opcional para la familia InnoSwitch3-EP. Cuando esta capacidad de detección está activada, las unidades pueden configurarse para que se reinicien automáticamente después de que la corriente de carga supere un umbral establecido durante un tiempo predeterminado.

Los CI InnoSwitch3-CP suelen elegirse para convertidores de potencia de consumo, como los construidos según el protocolo USB de suministro de energía (PD), el protocolo QuickCharge (QC) u otros protocolos propietarios. Gracias a su mayor capacidad de voltaje y flexibilidad, los circuitos integrados InnoSwitch3-EP son una buena opción para fuentes de alimentación en entornos industriales y para contadores de servicios públicos y redes inteligentes. También se utilizan en las fuentes de alimentación auxiliar, de reserva y de polarización de los electrodomésticos.

Alimentación programable

Los CI InnoSwitch3-Pro (Figura 3) permiten una gestión más dinámica de las entradas, salidas y fallos a través de una interfaz digital de circuito integrado (I²C). Los usuarios también pueden ajustar la frecuencia de conmutación a plena carga a un valor personalizado entre 25 kHz y 95 kHz, eligiendo un valor más bajo para minimizar la acumulación de calor en transformadores grandes o frecuencias más altas para transformadores pequeños.

Figura 3: La familia de CI de conmutadores InnoSwitch3-Pro está configurada para controlarse digitalmente a través de una interfaz I²C que permite supervisar el estado a distancia, ajustar la tensión y la corriente y personalizar la frecuencia de conmutación. (Fuente de la imagen: Power Innovations)

Contar con un microcontrolador en el bucle proporciona a los CI de la familia InnoSwitch3-Pro opciones de protección adicionales. Los usuarios pueden configurar independientemente sus respuestas deseadas a los fallos de sobretensión y subtensión de salida. También pueden supervisar la tensión de entrada y garantizar la protección frente a situaciones de caída de tensión y sobretensión. El microcontrolador también detecta las puertas SR FET abiertas y gestiona el apagado térmico histerético para proteger mejor el circuito integrado.

El diseño altamente configurable de los CI InnoSwitch3-Pro, su baja disipación térmica y su alta eficiencia los hacen ideales para su uso en adaptadores de carga que cumplen protocolos como USB PD 3.0, QC, Adaptive Fast Charge (AFC), Fast Charge Protocol (FCP) y Super Charge Protocol (SCP). Los diseñadores también los eligen para cargadores de baterías y balastos LED ajustables cuando se requieren diseños compactos con mínima acumulación de calor.

Capacitores compactos

Los CI de conmutación como los de la línea InnoSwitch3 son solo una pequeña parte de la arquitectura de los convertidores y fuentes de alimentación. Por ejemplo, un capacitor de masa, que es un componente de almacenamiento de energía que suaviza las fluctuaciones de la corriente alterna que entra en una fuente de alimentación, puede ocupar el 25% del espacio de esa fuente.

Al usar la tecnología de conmutación PowiGaN IC, Power Integrations desarrolló MinE-CAP, un conmutador y controlador de CI que funciona con dos capacitores más pequeños para proporcionar la capacitancia adecuada para una tensión de alimentación determinada (Figura 4). Un capacitor cerámico o electrolítico capaz de soportar hasta 400 V y con una capacidad nominal de 1 µF a 5 µF está siempre activo. MinE-CAP activa un capacitor electrolítico adicional para 160 V pero con una capacitancia mayor cuando se detecta una tensión más baja.

Además de reducir el espacio necesario en hasta 40% al dividir el capacitor masivo en dos mitades más pequeñas, MinE-CAP también elimina la necesidad de un termistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC) de irrupción. En cambio, los capacitores controlados por MinE-CAP están dimensionados para manejar la corriente de irrupción cuando se enciende la fuente de alimentación.

Figura 4: MinE-CAP es un controlador de CI basado en GaN que permite dividir el capacitor masivo de una fuente de alimentación en dos unidades más pequeñas, reduciendo el volumen necesario hasta en 40%. MinE-CAP está diseñado para funcionar con los productos de conversión CC/CC InnoSwitch3. (Fuente de la imagen: Power Innovations)

Conclusión

Los CI de conmutación que combinan transistores, CI de control y circuitos de realimentación con semiconductores GaN aprovechan la resistencia del material a altas temperaturas, tensiones y frecuencias. Estos CI permiten reducir el tamaño de las placas de circuito impreso, eliminar los disipadores térmicos y colocar los capacitores de forma creativa, con lo que las fuentes de alimentación multifunción caben en envases más compactos. Es probable que productos GaN como InnoSwitch3 de Power Integration con líneas PowiGaN sigan interesando a los diseñadores que persiguen una mayor densidad de potencia y una mayor miniaturización.