GaN轉(zhuǎn)變充電器設(shè)計方案詳解

氮化鎵（GaN）開關(guān)技術(shù)使充電器和適配器的小型化取得了進步。與使用等效硅器件的電路相比，它允許開發(fā)可在高開關(guān)頻率下工作的轉(zhuǎn)換器。GaN減小了變壓器的尺寸，提供了可顯著提高系統(tǒng)效率的解決方案，從而減少或消除了對散熱片的需求。通過使用基于GaN的晶體管和IC，設(shè)計人員一直在生產(chǎn)小型充電器。Power Integrations一直處于GaN革命的最前沿，可為許多客戶批量提供完整的電源解決方案。本文探討了GaN器件的功能，并討論了解決該技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)的策略。

電源架構(gòu)的變化

十多年前，一（1）立方英寸充電器成為低功率反激式充電器的標志性足跡。該技術(shù)將封套尺寸推到了效率極限所允許的范圍，這在當時是最好的。任何反激式設(shè)計中的電源開關(guān)都是造成功率損耗，在每次開關(guān)轉(zhuǎn)換期間耗散功率以及導通的原因。開關(guān)損耗和傳導損耗彼此成反比。隨著開關(guān)管芯面積的增加以減小RDS（ON）（導通損耗），開關(guān)損耗也會增加。超級結(jié)，垂直和橫向的不同硅晶體管技術(shù)都在競爭以減少器件的綜合損耗。但是，通過從根本上減少開關(guān)損耗和傳導損耗，GaN極大地提高了充電器和適配器的開關(guān)效率。

圖1：GaN技術(shù)（以紅色顯示）能夠降低在離線反激電壓（開關(guān)額定值為600 – 750 V）下工作的電源開關(guān)的總開關(guān)損耗

由于引入了GaN開關(guān)而引起的開關(guān)效率變化也極大地降低了熱挑戰(zhàn)，從而導致了充電器的進一步小型化。這些變化的摘要如圖2所示，該圖將傳統(tǒng)和以前的高效適配器與Power Integrations的Innoswitch?AC-DC轉(zhuǎn)換器IC（包括最新的使用GaN電源開關(guān)的家族成員）供電的適配器的性能進行了比較。

圖2：隨著電源開關(guān)效率的提高，能量損失（熱量）減少。熱量的減少意味著從設(shè)備傳導熱量所需的表面積也減少了。表面積的減小意味著電源的受熱量限制的體積（電源必須具有的最小尺寸才能處理產(chǎn)生的熱量）也減小了。有趣的是，使用準諧振反激電源以70 kHz的平均開關(guān)頻率工作時，也可以實現(xiàn)最高效率的設(shè)計。
熱限制體積∝（（1-效率）/ 6）3/2

GaN開關(guān)效率的階梯式變化于2018年首次出現(xiàn)在充電器和適配器中，并導致充電器/適配器的占位面積以及體積比與圖2中所述的體積比顯著降低，從而大大減少。圖3顯示了最新的GaN充電器，采用Power Integrations的PowiGaN?GaN晶體管技術(shù)，與突破性的2008年設(shè)計和采用最佳現(xiàn)有硅開關(guān)技術(shù)的高性能設(shè)計相比。

圖3：GaN技術(shù)的引入極大地減小了充電器的尺寸。開關(guān)頻率保持相似，拓撲結(jié)構(gòu)也相似-但是對功率開關(guān)技術(shù)的改進和顯著的集成極大地提高了性能。

應對GaN的挑戰(zhàn)

GaN器件重新設(shè)計了功率密度的思想。最成功的電源設(shè)計利用提高的開關(guān)效率來減小轉(zhuǎn)換器的尺寸。驅(qū)動GaN器件給設(shè)計人員帶來了挑戰(zhàn)，在實際設(shè)計中必須克服這些挑戰(zhàn)。GaN器件的開關(guān)速度非?？?。柵極和源極連接之間的寄生電容以及柵極阱和漏極襯底之間的柵極-漏極電容（密勒電容）非常?。◣譶C量級），這確保了快速的開關(guān)轉(zhuǎn)換導致低開關(guān)損失。

為了關(guān)閉GaN器件同時避免錯誤觸發(fā)，分立的電流檢測電路，請插入一個接近（有時在某些情況下超過！）GaN開關(guān)導通電阻的串聯(lián)阻抗。該電阻對于確保準確的短路檢測和保護電路的快速環(huán)路響應是必不可少的。在追求最大效率的設(shè)計中，這是一個缺點。因此，工程師們正在轉(zhuǎn)向集成無損電流感測電路，該電路將SenseFET內(nèi)置到GaN器件的結(jié)構(gòu)中。

圖4：離散GaN電路中對電流檢測電阻的需求是一個挑戰(zhàn)。為了引起快速的環(huán)路響應，必須增加電阻以產(chǎn)生足夠的電壓降，以使電流感測電路具有較強的偏置能力。在上面的簡化示意圖中，電阻值是實際參考設(shè)計所規(guī)定的值。

如果不加以調(diào)節(jié)，快速開關(guān)轉(zhuǎn)換將在電路中產(chǎn)生嚴重的噪聲問題。跡線電感和開關(guān)電容的結(jié)合會在開關(guān)事件期間引起高頻振鈴，從而在電路工作中引起噪聲問題。對于GaN開關(guān)，通過布局和GaN集成相結(jié)合，通過減小開關(guān)環(huán)路（和次級整流器環(huán)路，在變壓器中表現(xiàn)為“額外”泄漏電感）的尺寸來減小寄生電感。圖5顯示了有助于GaN開關(guān)電路振鈴的電路元件。

圖5：在過渡期間有助于開關(guān)振蕩的元素。注意變壓器匝數(shù)比放大的次級走線電感對初級漏感的貢獻

除了控制環(huán)路電感之外，還必須考慮適當?shù)卮_定柵極驅(qū)動電路的尺寸，功率開關(guān)的尺寸和柵極電荷特性。為了減少交叉損耗（柵極電壓和電流），需要柵極過渡。降低EMI變化率受柵極電阻和驅(qū)動源極/吸收電流組合的限制，這應與GaN器件相匹配。圖6比較了大小合適的柵極驅(qū)動器的GaN和Si開關(guān)的躍遷速率。

圖6：使用相同的變壓器和布局方法進行類似設(shè)計的Si截止與GaN截止的比較。請注意，GaN器件具有更明確的關(guān)斷特性，可迅速克服Miller電容和相關(guān)的柵極電荷以關(guān)斷器件。

驅(qū)動功率FET時，還需要考慮其他幾個方面。啟動過程中如何控制常開GaN結(jié)構(gòu)；將硅開關(guān)中的漏極電壓過高引起的擊穿和雪崩與GaN器件中更魯棒的參數(shù)移位現(xiàn)象進行了比較；優(yōu)化開關(guān)頻率并在變壓器尺寸與較小的熱限制體積之間進行權(quán)衡取舍；可編程電源轉(zhuǎn)換以及USB PD和PPS對電路效率的限制。

編輯：hfy