使用寬帶隙技術(shù)最大限度地提高高壓轉(zhuǎn)換器的功率密度

提高功率密度和縮小電源并不是什么新鮮事。預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)將持續(xù)下去，從而實(shí)現(xiàn)新的市場(chǎng)、應(yīng)用和產(chǎn)品。這篇博客向設(shè)計(jì)工程師介紹了意法半導(dǎo)體（ST）的電源解決方案如何采用寬帶隙（WBG）技術(shù)，幫助推動(dòng)器件小型化趨勢(shì)。

更高功率密度的重要性

更高的功率密度對(duì)于滿足各地日益增長(zhǎng)的能源需求以及市場(chǎng)對(duì)更小、更高效的電源的持續(xù)需求至關(guān)重要。半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)成功地從標(biāo)準(zhǔn)硅基器件中獲得了大量利用，硅基器件將繼續(xù)成為電源系統(tǒng)的重要組成部分。然而，寬帶隙半導(dǎo)體材料在實(shí)現(xiàn)最緊湊、最高效的電源解決方案方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。例如，氮化鎵 （GaN） 是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)并提高功率密度和小型化能力的強(qiáng)大解決方案。意法半導(dǎo)體在其創(chuàng)新的MasterGaN系列器件中使用了GaN技術(shù)。MasterGaN 可應(yīng)用于諧振 LLC 轉(zhuǎn)換器，以創(chuàng)建無(wú)散熱器的 250W 電源。

作為一種寬帶隙半導(dǎo)體，氮化鎵功率場(chǎng)效應(yīng)管具有更高的功率密度，可以在更高的電壓下工作，在更高的頻率下工作，并支持更小的器件。氮化鎵與傳統(tǒng)硅（Si）半導(dǎo)體器件的區(qū)別在于其更高的帶隙。帶隙是激發(fā)電子使其從價(jià)帶頂部跳到導(dǎo)帶底部所需的能量，在那里它可以在電路中使用。增加帶隙會(huì)對(duì)該器件產(chǎn)生重大影響。

像氮化鎵這樣具有較大帶隙的材料可以承受更強(qiáng)的電場(chǎng)。這種魯棒性使GaN能夠在更高的電壓和更高的電子遷移率和飽和速度下工作。這些關(guān)鍵屬性使得氮化鎵開(kāi)關(guān)在相同的電阻和擊穿電壓下比同等硅元件快十倍，體積小得多。氮化鎵功率場(chǎng)效應(yīng)管（GaN power FET）以其更高的速度、效率和功率密度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)硅MOSFET的能力，從而引發(fā)了功率工程的發(fā)展。市場(chǎng)對(duì)更高效率和功率密度的需求正在推動(dòng)氮化鎵在緊湊、便攜和高功率應(yīng)用中的采用。強(qiáng)大的充電器是智能手機(jī)、平板電腦和移動(dòng)應(yīng)用快速充電的關(guān)鍵增長(zhǎng)領(lǐng)域。氮化鎵還有許多其他應(yīng)用將極大地受益于其功能，例如電動(dòng)汽車充電、電信和大功率服務(wù)器應(yīng)用。

使用 MasterGaN 解決設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)上，分立式氮化鎵晶體管需要專用的高壓半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，這占用了大量的電路板空間。分立式方法還在高靈敏度的GaN柵極上引入了額外的電感和電容。MasterGaN 通過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)器與GaN晶體管的封裝級(jí)集成解決了這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。意法半導(dǎo)體的MasterGaN產(chǎn)品系列在單個(gè)封裝中集成了高壓智能功率BCD工藝柵極驅(qū)動(dòng)器和高壓GaN晶體管。MasterGaN 系列具有三個(gè)關(guān)鍵屬性：緊湊性、魯棒性和易設(shè)計(jì)性。MasterGaN由于其高功率密度而實(shí)現(xiàn)了緊湊性;它的尺寸是同類硅溶液的 1/4。MasterGaN 器件堅(jiān)固耐用，包括針對(duì) GaN 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 優(yōu)化的離線驅(qū)動(dòng)器。這種簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)新的解決方案，采用9mm x 9mm四方扁平無(wú)引線（QFN）封裝，可將系統(tǒng)尺寸減小多達(dá)70%，使充電器和適配器的重量減輕多達(dá)80%。

通過(guò)利用 MasterGaN 的高集成度，可以創(chuàng)建無(wú)需散熱器的 250W 緊湊、高效開(kāi)關(guān)模式電源（ 圖 1 ）。該電源是減少電源設(shè)計(jì)空間的一個(gè)很好的例子。該板被設(shè)計(jì)為具有兩個(gè)垂直子卡的主板。左邊的子卡是MASTERGAN1電路，右邊的子卡是次級(jí)側(cè)的同步整流電路。該設(shè)計(jì)包括短路、過(guò)載、欠壓和過(guò)壓保護(hù)。此設(shè)計(jì)中的 ST L6599A 諧振 LLC 控制器以 160kHz 的頻率運(yùn)行，但該控制器的運(yùn)行頻率高達(dá) 700kHz，并且該設(shè)計(jì)具有具有 15V 輸出驅(qū)動(dòng)的集成柵極驅(qū)動(dòng)器。MasterGaN 具有寬輸入電壓范圍和高頻能力，因此與 L6599A 完全兼容。此設(shè)計(jì)還包括一個(gè) SRK2001 LLC 諧振控制器。當(dāng)與標(biāo)準(zhǔn)硅MOSFET結(jié)合使用時(shí)，該控制器通過(guò)降低輸出損耗來(lái)幫助最大限度地提高電源效率。

• 圖 1： MASTERGAN1諧振LLC轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)（來(lái)源：STMicroelectronics）*

在設(shè)計(jì)高性能開(kāi)關(guān)電源時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須小心謹(jǐn)慎，確保所有電源引腳都正確饋電和去耦。設(shè)計(jì)人員還需要確保正確配置控制信號(hào)，以充分發(fā)揮氮化鎵的優(yōu)勢(shì)。

熱管理也是必不可少的，意法半導(dǎo)體提供了一些優(yōu)化電路板布局的技巧，以保持運(yùn)行涼爽。MasterGAN具有三組電源引腳：前端電源（VCC）、浮動(dòng)高端電源（BOOT）和低側(cè)（PVCC）電源。請(qǐng)注意，低側(cè)和高側(cè)驅(qū)動(dòng)器都是浮動(dòng)的。這些浮動(dòng)電源與集成電平轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，使輸入信號(hào)對(duì)兩個(gè)接地連接時(shí)產(chǎn)生的電感噪聲耦合不敏感，從而有助于確保正確的柵極驅(qū)動(dòng)。這三個(gè)電源都可以獨(dú)立供電，但在許多應(yīng)用中，高側(cè)驅(qū)動(dòng)器可以由VCC通過(guò)集成的自舉二極管供電。此自舉結(jié)構(gòu)僅在低側(cè)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。這種結(jié)構(gòu)減少了中頻（典型值高達(dá)400kHz）應(yīng)用中的元件數(shù)量。隨著開(kāi)關(guān)速度的提高，可以考慮通過(guò)外部更高性能的自舉二極管供電。電源基礎(chǔ)知識(shí)如圖2所示。

• 圖 2： 電源基礎(chǔ)（來(lái)源：STMicroelectronics）*

MasterGaN 輸入邏輯經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)，旨在使 GaN 晶體管的驅(qū)動(dòng)盡可能簡(jiǎn)單。對(duì)于MasterGaN，無(wú)論VCC值如何，輸入引腳的電壓上限均為20V。此功能使得MasterGaN與“面向MOS”的控制器配合使用變得容易，該控制器在12V或更高的典型VCC下工作，如設(shè)計(jì)示例中的L6599A所示。這些閾值還允許將 MasterGaN 連接到具有 3.3V 邏輯的微控制器，以實(shí)現(xiàn)您自己的自定義 SMPS 算法。將控制信號(hào)連接到 MasterGaN 時(shí)，除了確保它們已連接外，沒(méi)有什么比這更重要的了！可以在信號(hào)路徑上添加一個(gè)低通濾波器，以消除系統(tǒng)噪聲時(shí)意外切換的風(fēng)險(xiǎn)。MasterGaN 器件在內(nèi)部通過(guò)施密特觸發(fā)器緩沖邏輯輸入（LIN、HIN 和 SD/OD），具有精確的導(dǎo)通/關(guān)斷閾值，以提高抗噪能力并增加傳播延遲的可重復(fù)性。當(dāng)邏輯輸入為高阻抗時(shí)，MasterGaN 器件中的內(nèi)部下拉電阻器可避免未定義的電壓電平。

電源設(shè)計(jì)中的熱管理

熱管理是電源設(shè)計(jì)和電路板布局中最關(guān)鍵的方面之一。9mm x 9mm雙扁平無(wú)引線（DFN）封裝具有三個(gè)裸露焊盤，必須焊接到電路板上。頂殼的熱阻遠(yuǎn)高于底部裸露焊盤的熱阻。這種設(shè)計(jì)有助于通過(guò) PCB 和銅澆注區(qū)域去除熱量（ 圖 3 ）。

• 圖3： 電路板布局圖示和顯示高溫區(qū)域的熱圖。（來(lái)源：STMicroelectronics）*

在 MasterGaN 電路上，載流 GAN 晶體管位于標(biāo)有 SENSE 和 OUT 的大焊盤下方。這些是封裝的熱關(guān)鍵位置。在鋪設(shè)電路板時(shí)，要密切注意最大限度地散熱。OUT連接到高側(cè)晶體管源極，而SENSE連接到低側(cè)晶體管源極。除了EVLMG1-250LLC LLC演示板外，意法半導(dǎo)體還有其他評(píng)估平臺(tái)，可幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行原型設(shè)計(jì)、測(cè)試和開(kāi)發(fā)高性能電源。EVALMASTERGAN1 和 2 以及 EVLMG1-250WLLC 現(xiàn)已上市。

EVLMG1-250WLLC 評(píng)估板提供強(qiáng)大的效率和散熱效果。結(jié)果表明，當(dāng)集成到LLC諧振轉(zhuǎn)換器中時(shí)，開(kāi)發(fā)和理解MASTERGAN1開(kāi)關(guān)特性是一個(gè)堅(jiān)實(shí)的平臺(tái)（ 圖4 ）。

圖 4： （a） EVLMG1-250WLLC 的效率與負(fù)載的關(guān)系，（b） 熱圖。（來(lái)源：STMicroelectronics）

結(jié)論

氮化鎵技術(shù)正在掀起一股新浪潮，具有更高的功率密度和更高的效率。意法半導(dǎo)體使用氮化鎵開(kāi)發(fā)尖端產(chǎn)品，通過(guò)我們高度集成的MasterGaN系列氮化鎵半橋，集成柵極驅(qū)動(dòng)器，幫助工程師更高效地設(shè)計(jì)先進(jìn)的電源。遵循一些良好的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可以幫助設(shè)計(jì)人員最大限度地提高功率密度。

審核編輯 黃宇