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宽带隙技术可最大限度地提高高压 LED 照明的效率和功率密度
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2022-11-24
廖阿朋
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事实证明，高压 LED 照明可替代高强度放电 (HID) 照明等先前的技术。随着高压LED照明的采用，许多厂商争先恐后地在各种应用中进行生产和实施。虽然光质量和功率密度有了显着提高，但效率已成为需要解决的一个重要方面。此外，早期应用程序的失败率远高于预期。高压 LED 照明的主要挑战是继续提高功率密度和效率，并使其在未来的应用中更加可靠和经济实惠。在本文中，将介绍宽带隙 (GaN) 技术以及它如何解决高压 LED 照明的效率和功率密度挑战。事实证明，高压 LED 照明可替代高强度放电 (HID) 照明等先前的技术。随着高压LED照明的采用，许多厂商争先恐后地在各种应用中进行生产和实施。虽然光质量和功率密度有了显着提高，但效率已成为需要解决的一个重要方面。此外，早期应用程序的失败率远高于预期。高压 LED 照明的主要挑战是继续提高功率密度和效率，并使其在未来的应用中更加可靠和经济实惠。在本文中，将介绍宽带隙 (GaN) 技术以及它如何解决高压 LED 照明的效率和功率密度挑战。与硅等传统半导体相比，宽带隙 (GaN) 半导体可以在更高的开关频率下工作。宽带隙材料需要更高的能量来激发电子，使其从价带顶部跃迁至导带底部，从而可用于电路中。因此，增加带隙会对器件产生很大影响（并允许使用较小的芯片尺寸来完成相同的工作）。具有较大带隙的氮化镓 (GaN) 等材料可以承受更强的电场。宽带隙材料的关键属性是高自由电子速度和更高的电子场密度。这些关键属性使 GaN 开关的速度提高了 10 倍，体积明显更小，同时具有与类似硅元件相同的电阻和击穿电压。与硅等传统半导体相比，宽带隙 (GaN) 半导体可以在更高的开关频率下工作。宽带隙材料需要更高的能量来激发电子，使其从价带顶部跃迁至导带底部，从而可用于电路中。因此，增加带隙会对器件产生很大影响（并允许使用较小的芯片尺寸来完成相同的工作）。具有较大带隙的氮化镓 (GaN) 等材料可以承受更强的电场。宽带隙材料的关键属性是高自由电子速度和更高的电子场密度。这些关键属性使 GaN 开关的速度提高了 10 倍，体积明显更小，同时具有与类似硅元件相同的电阻和击穿电压。图 1：非隔离式大功率 LED 驱动器的系统架构。（图片来源：图 1：非隔离式大功率 LED 驱动器的系统架构。（图片来源：意法半导体意法半导体））图 1 显示了一个 LED 照明应用的高级架构，它将作为应用 GaN 宽带隙技术的基准示例。尽管可以在整个应用中使用宽带隙材料，但以绿色突出显示的高压电流发生器降压将成为利用宽带隙技术最大限度提高效率和功率密度的重点。大多数照明应用都需要在宽交流输入电压范围内具有高功率因数和低谐波失真。在这种情况下，最好实施 PFC 升压以提供干净的 400 V 图 1 显示了一个 LED 照明应用的高级架构，它将作为应用 GaN 宽带隙技术的基准示例。尽管可以在整个应用中使用宽带隙材料，但以绿色突出显示的高压电流发生器降压将成为利用宽带隙技术最大限度提高效率和功率密度的重点。大多数照明应用都需要在宽交流输入电压范围内具有高功率因数和低谐波失真。在这种情况下，最好实施 PFC 升压以提供干净的 400 V DCDC输入为LED驱动器，满足电源质量要求。前端 PFC 升压转换器有多种选择；过渡模式 (TM)、连续传导模式 (CCM) 以及其他模式。过渡模式的特点是变频运行和功率 MOSFET 导通时的零电流开关。其他优点包括设计简单、电感器尺寸小以及升压二极管没有反向恢复。主要挑战是高峰值和 RMS 输入电流，随着功率的增加，这也会导致更大的 EMI 滤波器。相反，CCM 提供固定频率操作。除了接近零交叉点之外，升压电感器电流始终具有平均分量。该电感器专为 20-30% 的纹波而设计，因此与 TM 操作相比，EMI 滤波器更小。这也意味着与 TM 操作相比，对于相同的输出功率，需要更大的升压电感器和更小的 EMI 滤波器。主要挑战是更复杂的控制以及对超快软恢复二极管或 SiC 二极管的需求。因此，CCM PFC 通常比 TM PFC 更昂贵。理想情况下，可以使用零反向恢复开关代替 CCM PFC 中的整流二极管。这使得 GaN 晶体管非常适合此应用。输入为LED驱动器，满足电源质量要求。
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