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寬帶隙技術(shù)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(fèi)

資料介紹

事實(shí)證明，高壓 LED 照明可替代高強(qiáng)度放電 (HID) 照明等先前的技術(shù)。隨著高壓LED照明的采用，許多廠商爭(zhēng)先恐后地在各種應(yīng)用中進(jìn)行生產(chǎn)和實(shí)施。雖然光質(zhì)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(gè)重要方面。此外，早期應(yīng)用程序的失敗率遠(yuǎn)高于預(yù)期。高壓 LED 照明的主要挑戰(zhàn)是繼續(xù)提高功率密度和效率，并使其在未來(lái)的應(yīng)用中更加可靠和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。在本文中，將介紹寬帶隙 (GaN) 技術(shù)以及它如何解決高壓 LED 照明的效率和功率密度挑戰(zhàn)。事實(shí)證明，高壓 LED 照明可替代高強(qiáng)度放電 (HID) 照明等先前的技術(shù)。隨著高壓LED照明的采用，許多廠商爭(zhēng)先恐后地在各種應(yīng)用中進(jìn)行生產(chǎn)和實(shí)施。雖然光質(zhì)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(gè)重要方面。此外，早期應(yīng)用程序的失敗率遠(yuǎn)高于預(yù)期。高壓 LED 照明的主要挑戰(zhàn)是繼續(xù)提高功率密度和效率，并使其在未來(lái)的應(yīng)用中更加可靠和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。在本文中，將介紹寬帶隙 (GaN) 技術(shù)以及它如何解決高壓 LED 照明的效率和功率密度挑戰(zhàn)。與硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，寬帶隙 (GaN) 半導(dǎo)體可以在更高的開(kāi)關(guān)頻率下工作。寬帶隙材料需要更高的能量來(lái)激發(fā)電子，使其從價(jià)帶頂部躍遷至導(dǎo)帶底部，從而可用于電路中。因此，增加帶隙會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生很大影響（并允許使用較小的芯片尺寸來(lái)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(qiáng)的電場(chǎng)。寬帶隙材料的關(guān)鍵屬性是高自由電子速度和更高的電子場(chǎng)密度。這些關(guān)鍵屬性使 GaN 開(kāi)關(guān)的速度提高了 10 倍，體積明顯更小，同時(shí)具有與類似硅元件相同的電阻和擊穿電壓。與硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，寬帶隙 (GaN) 半導(dǎo)體可以在更高的開(kāi)關(guān)頻率下工作。寬帶隙材料需要更高的能量來(lái)激發(fā)電子，使其從價(jià)帶頂部躍遷至導(dǎo)帶底部，從而可用于電路中。因此，增加帶隙會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生很大影響（并允許使用較小的芯片尺寸來(lái)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(qiáng)的電場(chǎng)。寬帶隙材料的關(guān)鍵屬性是高自由電子速度和更高的電子場(chǎng)密度。這些關(guān)鍵屬性使 GaN 開(kāi)關(guān)的速度提高了 10 倍，體積明顯更小，同時(shí)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(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)架構(gòu)。（圖片來(lái)源：圖 1：非隔離式大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)架構(gòu)。（圖片來(lái)源：意法半導(dǎo)體意法半導(dǎo)體））圖 1 顯示了一個(gè) LED 照明應(yīng)用的高級(jí)架構(gòu)，它將作為應(yīng)用 GaN 寬帶隙技術(shù)的基準(zhǔn)示例。盡管可以在整個(gè)應(yīng)用中使用寬帶隙材料，但以綠色突出顯示的高壓電流發(fā)生器降壓將成為利用寬帶隙技術(shù)最大限度提高效率和功率密度的重點(diǎn)。大多數(shù)照明應(yīng)用都需要在寬交流輸入電壓范圍內(nèi)具有高功率因數(shù)和低諧波失真。在這種情況下，最好實(shí)施 PFC 升壓以提供干凈的 400 V 圖 1 顯示了一個(gè) LED 照明應(yīng)用的高級(jí)架構(gòu)，它將作為應(yīng)用 GaN 寬帶隙技術(shù)的基準(zhǔn)示例。盡管可以在整個(gè)應(yīng)用中使用寬帶隙材料，但以綠色突出顯示的高壓電流發(fā)生器降壓將成為利用寬帶隙技術(shù)最大限度提高效率和功率密度的重點(diǎn)。大多數(shù)照明應(yīng)用都需要在寬交流輸入電壓范圍內(nèi)具有高功率因數(shù)和低諧波失真。在這種情況下，最好實(shí)施 PFC 升壓以提供干凈的 400 V DCDC輸入為LED驅(qū)動(dòng)器，滿足電源質(zhì)量要求。前端 PFC 升壓轉(zhuǎn)換器有多種選擇；過(guò)渡模式 (TM)、連續(xù)傳導(dǎo)模式 (CCM) 以及其他模式。過(guò)渡模式的特點(diǎn)是變頻運(yùn)行和功率 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)的零電流開(kāi)關(guān)。其他優(yōu)點(diǎn)包括設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、電感器尺寸小以及升壓二極管沒(méi)有反向恢復(fù)。主要挑戰(zhàn)是高峰值和 RMS 輸入電流，隨著功率的增加，這也會(huì)導(dǎo)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(diǎn)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(shè)計(jì)，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(duì)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(zhàn)是更復(fù)雜的控制以及對(duì)超快軟恢復(fù)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(fù)開(kāi)關(guān)代替 CCM PFC 中的整流二極管。這使得 GaN 晶體管非常適合此應(yīng)用。輸入為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器，滿足電源質(zhì)量要求。