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寬帶隙技術可最大限度地提高高壓 LED 照明的效率和功率密度

2388643 2022-11-24 | pdf | 235.93KB | 次下載 | 免費

資料介紹

事實證明，高壓 LED 照明可替代高強度放電 (HID) 照明等先前的技術。隨著高壓LED照明的采用，許多廠商爭先恐后地在各種應用中進行生產和實施。雖然光質量和功率密度有了顯著提高，但效率已成為需要解決的一個重要方面。此外，早期應用程序的失敗率遠高于預期。高壓 LED 照明的主要挑戰是繼續提高功率密度和效率，并使其在未來的應用中更加可靠和經濟實惠。在本文中，將介紹寬帶隙 (GaN) 技術以及它如何解決高壓 LED 照明的效率和功率密度挑戰。事實證明，高壓 LED 照明可替代高強度放電 (HID) 照明等先前的技術。隨著高壓LED照明的采用，許多廠商爭先恐后地在各種應用中進行生產和實施。雖然光質量和功率密度有了顯著提高，但效率已成為需要解決的一個重要方面。此外，早期應用程序的失敗率遠高于預期。高壓 LED 照明的主要挑戰是繼續提高功率密度和效率，并使其在未來的應用中更加可靠和經濟實惠。在本文中，將介紹寬帶隙 (GaN) 技術以及它如何解決高壓 LED 照明的效率和功率密度挑戰。與硅等傳統半導體相比，寬帶隙 (GaN) 半導體可以在更高的開關頻率下工作。寬帶隙材料需要更高的能量來激發電子，使其從價帶頂部躍遷至導帶底部，從而可用于電路中。因此，增加帶隙會對器件產生很大影響（并允許使用較小的芯片尺寸來完成相同的工作）。具有較大帶隙的氮化鎵 (GaN) 等材料可以承受更強的電場。寬帶隙材料的關鍵屬性是高自由電子速度和更高的電子場密度。這些關鍵屬性使 GaN 開關的速度提高了 10 倍，體積明顯更小，同時具有與類似硅元件相同的電阻和擊穿電壓。與硅等傳統半導體相比，寬帶隙 (GaN) 半導體可以在更高的開關頻率下工作。寬帶隙材料需要更高的能量來激發電子，使其從價帶頂部躍遷至導帶底部，從而可用于電路中。因此，增加帶隙會對器件產生很大影響（并允許使用較小的芯片尺寸來完成相同的工作）。具有較大帶隙的氮化鎵 (GaN) 等材料可以承受更強的電場。寬帶隙材料的關鍵屬性是高自由電子速度和更高的電子場密度。這些關鍵屬性使 GaN 開關的速度提高了 10 倍，體積明顯更小，同時具有與類似硅元件相同的電阻和擊穿電壓。圖 1：非隔離式大功率 LED 驅動器的系統架構。（圖片來源：圖 1：非隔離式大功率 LED 驅動器的系統架構。（圖片來源：意法半導體意法半導體））圖 1 顯示了一個 LED 照明應用的高級架構，它將作為應用 GaN 寬帶隙技術的基準示例。盡管可以在整個應用中使用寬帶隙材料，但以綠色突出顯示的高壓電流發生器降壓將成為利用寬帶隙技術最大限度提高效率和功率密度的重點。大多數照明應用都需要在寬交流輸入電壓范圍內具有高功率因數和低諧波失真。在這種情況下，最好實施 PFC 升壓以提供干凈的 400 V 圖 1 顯示了一個 LED 照明應用的高級架構，它將作為應用 GaN 寬帶隙技術的基準示例。盡管可以在整個應用中使用寬帶隙材料，但以綠色突出顯示的高壓電流發生器降壓將成為利用寬帶隙技術最大限度提高效率和功率密度的重點。大多數照明應用都需要在寬交流輸入電壓范圍內具有高功率因數和低諧波失真。在這種情況下，最好實施 PFC 升壓以提供干凈的 400 V DCDC輸入為LED驅動器，滿足電源質量要求。前端 PFC 升壓轉換器有多種選擇；過渡模式 (TM)、連續傳導模式 (CCM) 以及其他模式。過渡模式的特點是變頻運行和功率 MOSFET 導通時的零電流開關。其他優點包括設計簡單、電感器尺寸小以及升壓二極管沒有反向恢復。主要挑戰是高峰值和 RMS 輸入電流，隨著功率的增加，這也會導致更大的 EMI 濾波器。相反，CCM 提供固定頻率操作。除了接近零交叉點之外，升壓電感器電流始終具有平均分量。該電感器專為 20-30% 的紋波而設計，因此與 TM 操作相比，EMI 濾波器更小。這也意味著與 TM 操作相比，對于相同的輸出功率，需要更大的升壓電感器和更小的 EMI 濾波器。主要挑戰是更復雜的控制以及對超快軟恢復二極管或 SiC 二極管的需求。因此，CCM PFC 通常比 TM PFC 更昂貴。理想情況下，可以使用零反向恢復開關代替 CCM PFC 中的整流二極管。這使得 GaN 晶體管非常適合此應用。輸入為LED驅動器，滿足電源質量要求。