GaN 助力電源的效率和小型化

隨著硅基 MOSFET 和功率器件接近其物理極限，功率工程師已開始轉(zhuǎn)向氮化鎵 （GaN） 以提高性能并減小整體解決方案尺寸。為了實(shí)現(xiàn)更小的外形尺寸和更高的效率，越來越多的電源設(shè)計(jì)人員正在使用基于 GaN 的晶體管而不是基于硅的器件。作為一種寬帶隙材料，氮化鎵具有比硅更優(yōu)越的特性：它可以在更高的頻率下運(yùn)行、耗散更少的功率、更有效地導(dǎo)熱并提供更好的熱管理。

SiC 和 GaN器件具有比 Si 高得多的臨界擊穿電壓，從而允許更薄的漂移層和更高的摻雜濃度。對(duì)于給定的芯片面積和額定電壓，這會(huì)導(dǎo)致較低的導(dǎo)通電阻，從而通過減少功率損耗提供更高的效率。此外，碳化硅的熱導(dǎo)率是硅的三倍以上，因此可以在相同的溫升下使用更小的芯片。SiC 和 GaN 還通過具有更高的最大工作溫度和限制應(yīng)力來提供比 Si 更高的效率。

在 SMPS 電源中，高開關(guān)頻率是一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢詼p小磁性元件和其他組件的尺寸，實(shí)現(xiàn)更高的小型化和成本節(jié)約。然而，開關(guān)損耗與頻率呈線性相關(guān)。這就是為什么 Si-MOSFET 以數(shù)百赫茲的頻率進(jìn)行開關(guān)會(huì)產(chǎn)生不可忽視的能量損失的原因。另一方面，氮化鎵具有更高的電子飽和速度和更低的電容，提供更高的開關(guān)速率和更低的功率損耗。

通過采用基于 GaN 的開關(guān)功率晶體管，下一代電源應(yīng)用可以在更高的電壓和開關(guān)頻率下運(yùn)行，與傳統(tǒng)的基于硅的解決方案相比，可顯著提高性能并減少損耗、占地面積和重量。這些穩(wěn)健性的固有特性使 GaN 成為在不斷發(fā)展的應(yīng)用中大規(guī)模采用的理想材料，例如汽車、工業(yè)、電信和消費(fèi)電子市場(chǎng)的其他特定應(yīng)用，包括 100 V 集群和 650 V 集群。

智能集成氮化鎵解決方案

任何電子設(shè)備，從家用電器到筆記本電腦再到數(shù)據(jù)中心，都依賴于電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。然而，當(dāng)今的大部分電力系統(tǒng)都基于一種可以追溯到幾十年前的技術(shù)，效率低下，占用的空間也不容忽視。

Wise-integration 利用臺(tái)積電 （TSMC） 最新獲得認(rèn)證的 650V GaN/Si 可用技術(shù)，能夠管理從器件規(guī)格到系統(tǒng)組裝的所有工業(yè)化流程。

“我們基于 GaN 的產(chǎn)品，名為 WiseGan，在同一芯片上集成了具有智能功能的電源開關(guān)。功率晶體管為 650V 電子模式，而智能功能包括柵極控制和保護(hù)電路、設(shè)計(jì)人員友好的功能和應(yīng)用安全功能，”Wise-integration 的首席技術(shù)官 Dominique Bergogne 說。

WiseGan IC（如圖 1 所示）適用于功率范圍為 30W 至 3KW 的中等功率應(yīng)用，包括：

消費(fèi)類電池充電器

入墻式 USB-C 充電器

電動(dòng)汽車（電動(dòng)自行車充電器）

工業(yè)（數(shù)據(jù)中心電源）

WiseGan 采用優(yōu)化的架構(gòu)，可將標(biāo)準(zhǔn)基于 GaN 的充電器的體積減少 30%。GaN 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)極致性能，而 Wise-Integration 專有架構(gòu)可通過減少 AC-DC 電源轉(zhuǎn)換器中的組件數(shù)量并在不影響性能的情況下實(shí)現(xiàn)高效解決方案，從而進(jìn)一步提高成本性能。

據(jù)發(fā)言人稱，采用 WiseGan 技術(shù)帶來的主要好處如下：

由于在高頻下進(jìn)行超快速切換并減少有效面積，因此可以更智能地使用資源并提高性能

更小尺寸的組件可提供更高的輸出功率和更低的功率損耗

集成 GaN 器件能夠在 1MHz 以上的頻率下運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率密度

更高的能源效率（98% 與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的 94%）

Wise-Integration 首席執(zhí)行官 Thierry Bouchet 表示：“我們的愿景是最大限度地提高客戶產(chǎn)品的利益和吸引力，減少能源消耗、尺寸和成本?！?/p>

為了更好地滿足電源市場(chǎng)的需求，這家總部位于法國(guó)的公司將其 WiseGan 技術(shù)與 WiseWare 獲得專利的 AC-DC 系統(tǒng)架構(gòu)相結(jié)合，該架構(gòu)由數(shù)字控制運(yùn)行。WiseWare 是一種可以在微控制器上運(yùn)行的軟件應(yīng)用程序。這種雙重平臺(tái)能夠?qū)⒊潆娖鞯某叽纭⒅亓亢凸臏p少 6 倍。

作為由高等教育、研究與創(chuàng)新部資助、創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)基金支持的 2019 年全國(guó) i-Lab 競(jìng)賽的獲勝者之一，Wise-Integration 研究團(tuán)隊(duì)最近籌集了 270 萬歐元。據(jù)公司介紹，這筆資金將用于支持其第一代WiseGan IC到2022年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化，并進(jìn)一步開發(fā)其WiseWare電源轉(zhuǎn)換平臺(tái)。

WiseGan ZVS 評(píng)估板

Wise-Integration 還開發(fā)了一個(gè)評(píng)估板，允許評(píng)估其 WI62100、半橋 100mΩ（或 WI62175 半橋 175mΩ）、增強(qiáng)型高電子遷移率晶體管 （EHEMT） 以及 Si8274GB4D-IS1 柵極驅(qū)動(dòng)器橋接配置（見圖 2）。

該板具有 ZVS（零電壓開關(guān)）功能，允許組件的軟開關(guān)，從而降低開關(guān)損耗，同時(shí)啟用高頻開關(guān)。該測(cè)試板還包括一個(gè) LTC6907 以生成控制信號(hào)、用于電源連接的接頭和用于波形測(cè)量的探針點(diǎn)。

WI62100 IC 是一個(gè)半橋電路，在 6x8mm PQFN 封裝中集成了兩個(gè) RDS（on）=100mΩ 的 GaN 功率晶體管。LTC6907 振蕩器配置為向 Si8274GB4D-IS1 隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器提供 1MHz PWM 信號(hào)，兩者均通過微型 USB 電源連接器由 5VDC 電壓供電。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的 DT 引腳對(duì)應(yīng)于可編程死區(qū)時(shí)間控制，提供重疊保護(hù)，防止兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出同時(shí)變?yōu)楦唠娖?。因此，它用于設(shè)置一個(gè)輸出變低和另一個(gè)輸出變高之間的時(shí)間量。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出直接連接到 GaN 功率晶體管的柵極端子。