Силовые полупроводниковые приборы для оптимальной разработки источников питания светодиодных осветительных устройств

Импульсные источники питания для светодиодных светильников все интенсивнее разрабатываются с использованием принципа коррекции коэффициента мощности (ККМ) во входном каскаде для удовлетворения международных требований по наличию высших гармоник. Структура повышающего преобразователя постоянного напряжения в режиме разрывных токов (РРТ) является наиболее подходящей для преобразователей с номинальной мощностью менее 300 Вт.

При использовании структуры повышающего преобразователя в режиме разрывных токов (РРТ) динамические потери при включении силового транзистора пренебрежимо малы. Основными потерями в такой структуре являются статические потери (в состоянии  проводимости) и динамические потери при выключении силового ключа. МДП-транзисторы super junction с момента их появления считают наиболее подходящими в качестве оптимизированных силовых ключевых элементов для активных ККМ, поскольку обладают крайне низким сопротивлением в открытом состоянии (R_ds(on)) и существенно нелинейными зависимостями емкостей от напряжения.

Для оконечных каскадов преобразователей наиболее эффективными считаются резонансные LLC-преобразователи, вследствие их повышенного КПД. Поскольку переключения силовых ключей LLC-преобразователей происходят при нуле напряжения (ПНН), то основными потерями в них являются статические, следовательно, малая величина сопротивления в открытом состоянии становится определяющим требованием при выборе ключевых элементов. Благодаря развитию технологии полупроводниковых приборов, МДП-транзисторы, выполненные по планарной технологии последнего поколения, могут конкурировать с транзисторами super junction как в каскаде ККМ, так и в оконечном каскаде преобразователя. Принимая во внимание стоимость изделий мощностью до 200 Вт, МДП-транзисторы с планарной технологией становятся более предпочтительными.

Потери в импульсных преобразователях

При разработке преобразователей электроэнергии оценка потерь мощности является наиболее важной при выборе полупроводниковых компонентов. Основными потерями мощности в предварительных каскадах с ККМ и резонансном LLC-преобразователе являются статические и динамические потери (на переключение). Как правило, динамические потери превалируют при малых нагрузках, а статические – по мере увеличения нагрузки. В качестве основного критерия скорости переключения, а, следовательно, и потерь на переключение обычно широко используется такой параметр, как величина заряда затвора (Q_g). В общем случае, величина заряда затвора транзистора super junction меньше, чем у традиционного планарного МДП-транзистора с аналогичными предельно допустимыми параметрами, вследствие меньшего размера кристалла, вытекающего из свойственного ему сверхнизкого сопротивления в открытом состоянии.

Например, заряд затвора МДП-транзистора super junction с R_ds(on) = 0,95 Ом и допустимым напряжение сток-исток 600 В меньше, чем у планарного МДП-транзистора с R_ds(on) = 1,6 Ом с таким же допустимым напряжением сток-исток (табл. 1). Нетрудно предположить, что суммарные омические потери и потери на переключение в МДП-транзисторе supe rjunction будут меньше в ККМ и резонансном LLC-преобразователе. Это основная причина того, что в импульсных преобразователях предпочтение отдается МДП-транзисторам super junction.

Планарные МДП-тразнзисторы последнего поколения за счет улучшения технологии обладают достаточно низким зарядом затвора. Но, тем не менее, величина R_ds(on) у них по-прежнему превышает величину R_ds(on) МДП-транзисторов super junction. Однако, в областях малых нагрузок планарные МПД-транзисторы конкурентоспособны с МДП-транзисторами super junction. А с учетом 30%-го выигрыша планарной технологии в цене, представляется необходимым рассмотреть такие транзисторы в качестве силовых переключающих элементов для источников питания светодиодных светильников. Кроме того, необходимо определить уровень мощности, при котором планарные МДП-транзисторы становятся конкурентоспособными при использовании их в ККМ и резонансном LLC-преобразователе.

Результаты сравнения

Для сравнения характеристик ККМ в режиме разрывных токов (РРТ) и резонансного LLC преобразователя использовались МДП-транзисторы, приведенные в табл. 1.

Потери на переключение всех транзисторов измерены с помощью осциллографа. Поскольку переключаемый ток в ККМ изменяется на каждом периоде переключения, измерялись потери на переключение при максимальном значении напряжения сети, и полные потери рассчитывались в предположении, что потери изменяются по синусоидальному закону (рис. 1). Средние потери рассчитаны, как произведение рабочей частоты на потери энергии за каждый период переключений. Как правило, в ККМ в режиме РРТ время проводящего состояния транзистора фиксировано, а время, когда транзистор заперт, изменяется в соответствии с изменением напряжения сети. Для расчетных параметров получены времена открытого и закрытого состояний и, соответственно, эквивалентная частота переключений на каждом периоде переключений. Потери на проводимость (статические) легко определяются, когда известно действующее значение тока через силовой ключ. В ККМ ток через ключ синусоидальный, поэтому его действующее значение рассчитывается достаточно легко. В резонансном LLC преобразователе резонансный ток и ток намагничивания можно принять синусоидальным и треугольным соответственно. Таким образом, действующее значение тока может быть рассчитано измерением максимального тока, как показано на рис. 2. Величины потерь в обоих преобразователя сведены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что при малых нагрузках как в ККМ, так и в резонансном LLC преобразователе превалируют потери на переключение. При больших нагрузках большее значение, как и ожидалось, имеют статические потери. Современные МДП-транзисторы, выполненные по планарной технологии, превосходят транзисторы super junction при малых нагрузках, поскольку потери мощности в них меньше как при использовании в ККМ, так и в резонансных LLC преобразователях. При максимальной нагрузке 200 Вт потери в резонансном преобразователе несколько меньше, однако они выше в ККМ в РРТ. Суммарные потери при нагрузке 200 Вт выше на 0,4 Вт.

Выводы

Проведена оценка характеристик современных МДП-транзисторов UniFET^TM II, выполненных по планарной технологии при их использовании в ККМ в РРТ и резонансном LLC преобразователе. Показано, что они практически не уступают МДП-транзисторам super junction при нагрузках до 200 Вт. Принимая во внимание различия в стоимости и характеристиках, можно сделать вывод о том, что транзисторы, выполненные по технологии UniFET^TM II, можно считать наиболее пригодными при разработке импульсных преобразователей напряжения средней мощности для использования в светодиодных светильниках.

Литература

1. Everett Rogers. Understanding Boost Power Stages in Switch-Mode Power Supplies. Application report. – Texas Instruments (slva061).

2. Timothy E. Griffin. Superjunction Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) as a Pulsed Constant-current Load. – ARL-TR-4999, Sepember, 2009.

3. Yasuhiko Oonishi, Akihiko Ooi, Takayuki Shimatou. Superjunction MOSFET. – e-Front runners (Internet).

4. Timothy Henson, Joe Cao. Low Voltage Super Junction MOSFET Simulation and Experimentation. – SILVACO International, Volume 13, Number 5, May 2003.

5. Gerald Deboy, Florin Udrea. Superjunction devices & technologies – Benefits and Limitations of a revolutionary step in power electronics. – EPE 2007 – Aalborg, Denmark, 2 – 5 September 2007.

6. Wonseok Kang. Power Device Consideration for Optimized Design of LED Power Supply. Technical Paper. – Fairchild Semiconductor.