使用GaN設(shè)計高效的高密度電源解決方案

基于氮化鎵技術(shù) (GaN) 的功率開關(guān)器件現(xiàn)已量產(chǎn)，并在實際功率應(yīng)用中提供高效率和功率密度。本文將探討如何使用 GaN 技術(shù)實施高功率解決方案，并提供應(yīng)用示例，展示 GaN 器件如何在超過 600 伏的電壓下也能有效工作。

GaN 器件在幾個重要方面不同于一流的場效應(yīng)晶體管 (FET) 和其他硅基組件。與基于硅的方法相比，GaN 器件可實現(xiàn)將功率密度提高兩倍或更多倍的解決方案。因此，可以減小組件和封裝尺寸，從而產(chǎn)生具有更小的 PCB 占位面積的解決方案。GaN 器件還提供比其前代硅器件更高的效率，盡管整體系統(tǒng)成本相對較高。

德州儀器 (TI) 的 GaN 解決方案，例如 LMG5200 (80 V) 和 LMG3410R070(600 V，具有 70-mΩ R DS(on))，已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，目前已用于許多客戶應(yīng)用。另一款 GaN 器件 LMG3410R050 目前處于預(yù)覽階段，并將在未來幾個月內(nèi)投入批量生產(chǎn)。

GaN 應(yīng)用

GaN 器件的典型電源應(yīng)用如圖 1所示，其中需要將 230 伏交流電源電壓轉(zhuǎn)換為 48 伏直流電壓，以便為機械臂供電。左側(cè)是功率因數(shù)校正 (PFC) 級，最高效率為 99%，開關(guān)頻率為 1 MHz。紅色突出顯示的是具有高開關(guān)頻率和約 15 W/cm 3功率密度的 GaN 半橋示例. PFC 級產(chǎn)生的輸出是恒定的 400 VDC，非常適合為圖中心的 DC/DC LLC 電路供電。事實上，為了實現(xiàn)高效率，LLC 轉(zhuǎn)換器需要一個恒定的輸入電壓。圖 1 中所示的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供 97% 的效率、1 MHz 的開關(guān)頻率、1 kW 的隔離輸出功率和 8.5 W/cm 3的功率密度。圖 1 中右側(cè)的設(shè)備是電機驅(qū)動器，這是一個基于 LMG5200 的 4 至 8V/10A、三相、100kHz 逆變器。請注意沒有散熱器。功率密度非常高，為 30 W/cm 3。

圖 1：交流電到電機的電源轉(zhuǎn)換

為了更好地了解 GaN 技術(shù)相對于硅器件的優(yōu)勢，請考慮圖 2中所示的晶體管。首先，輸入端的柵極電容比類似的基于硅的解決方案低約四倍，由于降低了柵極驅(qū)動損耗，從而產(chǎn)生了更高的開關(guān)速率和更高的效率。另一個重要的好處是低輸出電容/電荷，這會導(dǎo)致更高的開關(guān)頻率，從而有助于降低開關(guān)損耗。此外，R DS(on)比硅器件低約兩倍，從而導(dǎo)致更低的傳導(dǎo)損耗。最后，使用該晶體管可以消除集成的“體”二極管，這意味著我們可以減少開關(guān)節(jié)點上的振鈴并消除任何反向恢復(fù)損耗。

圖 2：GaN over Silicon 解決方案的主要優(yōu)勢

集成驅(qū)動器和保護電路

德州儀器 (TI) 將驅(qū)動器完全集成到其 GaN 器件中，以減少 PCB 占用空間并簡化整體設(shè)計。LMG3410 等完全集成的 GaN 功率器件包括用于降低電磁干擾 (EMI) 的低開關(guān)節(jié)點振鈴(100V/納秒開關(guān)，V ds振鈴接近零)、額定小于 100 ns 的過流保護和過熱關(guān)斷. 分立式 GaN 器件需要外部驅(qū)動器和保護電路，這意味著額外的成本、更大的 PCB 面積以及重大的設(shè)計挑戰(zhàn)。圖 3 總結(jié)了具有集成驅(qū)動器的器件與分立 GaN 器件相比的優(yōu)勢。

圖 3：與分立式 GaN 解決方案相比，集成驅(qū)動器具有多項優(yōu)勢。

驅(qū)動器偏置電壓是需要仔細評估的第一個方面，因為它對性能和長期設(shè)備可靠性都至關(guān)重要。正如圖4所示，氮化鎵偏置電壓應(yīng)被調(diào)諧，以保持平均故障時間(MTTF)到一個安全值(即，水平虛線之上，對應(yīng)于10年的壽命)。

圖 4：MTTF 與柵源電壓 (V(GS))

分立式 GaN 還需要適當(dāng)?shù)倪^流保護電路。在高頻和壓擺率下設(shè)計穩(wěn)健的過流保護電路既困難又昂貴。寄生電感會導(dǎo)致開關(guān)損耗、振鈴和可靠性問題，尤其是在高 GaN 頻率下。使用集成驅(qū)動器，可以實現(xiàn)如圖 5所示的信號形狀。開關(guān)時間最短，上升時間為 10 2 V/ns。這意味著信號在不到 4 ns 的時間內(nèi)從 0 V 上升到 400 V。

圖 5：TI GaN 器件的開關(guān)時間

外部過流保護 (OCP) 和擊穿保護電路還需要一個額外的檢測電阻器?？赡軙x擇具有較高值的電阻器以實現(xiàn)更好的信噪比 (SNR)。因此，功率環(huán)路和功率損耗都將增加，因為電壓隨時間的導(dǎo)數(shù) (dV/dt) 會更低，從 100 V/ns 下降到 80 V/ns，并且由于檢測電阻器。圖 6總結(jié)了完全集成和定制實施的過流保護電路之間的比較，該圖還顯示了通過并聯(lián)兩個 12mΩ 電阻器獲得的電阻分流器示例。

圖 6：集成與外部 OCP 和擊穿保護

GaN 應(yīng)用：AC/DC 轉(zhuǎn)換器

一個廣泛的 GaN 應(yīng)用是 AC/DC 轉(zhuǎn)換。圖 7說明了用于在工業(yè)、醫(yī)療、電信和服務(wù)器應(yīng)用中實施電源單元 (PSU) 的典型拓撲。該轉(zhuǎn)換器具有一個具有寬輸入電壓(85 至 265 VAC)的 PFC 級、一個 400 VDC 的恒定輸出，以及一個能夠提供不同輸出電壓(12、24 和 48 VDC)的 LLC 轉(zhuǎn)換器。

圖 7：GaN 器件的典型應(yīng)用是 AC/DC 轉(zhuǎn)換器。

轉(zhuǎn)換器的 PFC 級可以根據(jù)圖 8左側(cè)的原理圖實現(xiàn)，圖中顯示了典型的圖騰柱配置，其中可以使用 600-V GaN 半橋或 G3410。PFC 電感器用于調(diào)節(jié)與輸入電壓同相的輸入電流。圖 8 的右側(cè)顯示了 LLC 電路的原理圖，其中諧振由 L r、C r和 L m的值確定。這個階段可以使用 GaN 器件來實現(xiàn)，例如 LMG5200，這是一種高壓直接驅(qū)動 GaNFET，可提供快速開關(guān)并最大限度地減少半橋開關(guān)之間的死區(qū)時間。

圖 8： PFC 和 LCC 級示意圖

該解決方案提供高效率，將損耗降低高達 36%，并實現(xiàn)更高的功率密度(圖騰柱 PFC 與硅相比高達 3 倍)。它還允許使用更少的散熱器和更小的導(dǎo)體和電容器，從而在不增加成本的情況下減輕整個解決方案的重量。

考慮圖 9 中所示的 1.6 kW 圖騰柱 PFC 。該解決方案實現(xiàn)了 1 kW 的輸出功率、高達 140 kHz 的開關(guān)頻率、285 VDC 的輸出電壓(源自寬輸入電壓)和大約 10 W/cm 3 的功率密度。

圖 9：使用 LMG3410 GaN 器件的圖騰柱 PFC

如圖 2 中的晶體管所示，低輸出電容 (C OSS ) 很重要，因為它減少了死區(qū)時間，增加了電流傳送到輸出的時間。這也意味著更大的磁化電感和更低的循環(huán)電流損耗以及更低的變壓器邊緣場損耗。柵極驅(qū)動器損耗也可以降低，而系統(tǒng)優(yōu)化可以通過增加開關(guān)頻率、效率和功率密度來實現(xiàn)。圖 10顯示了相關(guān)波形，顯示開關(guān)頻率 (f SW ) 低于諧振頻率 (f R )。死區(qū)時間和循環(huán)電流損失都明顯減少。

圖 10：減少半橋開關(guān)之間的死區(qū)時間

Texas Instruments 的 PMP20637(如圖11所示)是一種高效、高功率密度、輕型諧振轉(zhuǎn)換器 (LLC) 參考設(shè)計。它以固定的 1MHz 開關(guān)頻率將 380V 至 400V 輸入轉(zhuǎn)換為 48V/1kW 輸出。PMP20637 功率級實現(xiàn)了高于 97% 的峰值效率和大約 8.5 W/cm 3的功率密度。

圖 11：TI PMP20637 參考設(shè)計

圖 12提供了 GaN 和硅功率 MOSFET 器件效率之間的比較。如圖所示，降低的電容和循環(huán)電流顯著提高了低電流負載下的效率。有限的電阻也有助于在較高電流下略微提高效率。

圖 12：GaN 和硅 MOSFET 器件的效率比較

GaN 應(yīng)用：電機驅(qū)動

GaN 器件在電機驅(qū)動應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢?？梢詼p少或取消散熱器。GaN 還可減少或消除開關(guān)節(jié)點振蕩，從而降低輻射 EMI，從而無需額外的緩沖網(wǎng)絡(luò)。使用 GaN 器件還可以增加脈寬調(diào)制 (PWM) 頻率，從而可以驅(qū)動極低電感的永磁電機或無刷直流電機。通過最小的轉(zhuǎn)矩脈動可以獲得更精確的伺服驅(qū)動器/步進器定位，并且可以實現(xiàn)頻率高于 1 到 2 kHz 的更好的正弦電壓——這是高速無人機電機的理想解決方案。

圖 13：用于高速電機的 GaN 三相逆變器

圖 13顯示了用于高速電機的 48V/10A 三相逆變器。它包括三個 LMG5200 GaN 半橋。該逆變器接受寬輸入電壓范圍(12 至 60 VDC/400 W)，開關(guān)頻率為 100kHz，峰值效率為 98.5%，功率密度為 9.5W/cm 3。

圖 14 中顯示的溫度曲線闡明了我們 48-V/10-A 逆變器的熱性能。如圖所示，不需要散熱器;所有的熱量都通過自然對流消散。當(dāng)外部溫度為 28°C 且器件在滿載條件下以 100 kHz 開關(guān)時，最高溫度達到 106°C。

圖 14：包含三個 LMG5200 GaN 半橋的 48V/10A 逆變器的熱性能

超越 600 V 的 GaN

西門子開發(fā)了一個基于 LMG3410R050 GaN 器件的高效電網(wǎng)鏈接的演示項目(圖 15)。多電平雙向 GaN 轉(zhuǎn)換器將三相電網(wǎng)電源(400 VAC 線對線和 230 VAC 線對中性線)轉(zhuǎn)換為 700 VDC 電壓。具有 50mΩ R DS(on)的 LMG3410 的額定最大功率為 10 kW，雙向。德州儀器 (TI) 的 Delfino 雙核微控制器控制電源解決方案，還具有 Wi-Fi SimpleLink 連接。

圖 15：基于 LMG3410R050 的高效電網(wǎng)鏈接

該演示應(yīng)用程序展示了 GaN 器件如何為高達 10 kW 及以上的電源應(yīng)用提供可擴展的電網(wǎng)解決方案，與硅設(shè)計相比，實現(xiàn)了 5 倍的磁性減少和 3 倍的功率組件減少。它還代表了一種用于遙測、控制和系統(tǒng)維護的支持云的解決方案。圖 16總結(jié)了所有涉及功率器件的更多目標應(yīng)用。

圖 16：GaN 器件的其他目標應(yīng)用

GaN 技術(shù)正在實現(xiàn)以其他方式無法實現(xiàn)的新一代電源轉(zhuǎn)換設(shè)計。從交流電到負載點，功率密度最多可提高 3 倍。在開關(guān)頻率為 1 MHz 的隔離式 LLC 轉(zhuǎn)換器中，GaN 技術(shù)使磁性元件的尺寸和重量減少了 6 倍。將驅(qū)動器和 GaN 集成在一個低電感封裝中，為快速(更高的開關(guān)頻率)和可靠(更長的壽命)設(shè)備提供了最佳解決方案。

審核編輯：湯梓紅