GaN改變充電器設(shè)計(jì)

氮化鎵 (GaN) 開關(guān)技術(shù)推動了充電器和適配器的小型化。與使用等效硅器件的電路相比，它允許開發(fā)可以在高開關(guān)頻率下運(yùn)行的轉(zhuǎn)換器。GaN 減小了變壓器尺寸，提供了顯著提高系統(tǒng)效率的解決方案，減少或消除了對散熱器的需求。通過使用基于 GaN 的晶體管和 IC，設(shè)計(jì)人員一直在生產(chǎn)小型充電器。Power Integrations 一直處于 GaN 革命的前沿，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，并討論了應(yīng)對該技術(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(biāo)志性產(chǎn)品。該技術(shù)在效率限制允許的范圍內(nèi)推動了信封的大小，并且是當(dāng)時(shí)最好的。任何反激式設(shè)計(jì)中的電源開關(guān)都會造成功率損耗、每次開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的功耗和導(dǎo)通。開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗成反比。隨著開關(guān)芯片面積的增加以降低 RDS(ON)（傳導(dǎo)損耗），開關(guān)損耗會增加。不同的硅晶體管技術(shù)——超級結(jié)、垂直和橫向——都在競相減少器件中的綜合損耗。然而，GaN 通過從根本上降低開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗，顯著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 600 – 750 V）下運(yùn)行的電源開關(guān)的總開關(guān)損耗

GaN 開關(guān)的引入帶來的開關(guān)效率變化也極大地減少了熱挑戰(zhàn)，從而導(dǎo)致充電器進(jìn)一步小型化。圖 2 顯示了這些變化的摘要，其中比較了傳統(tǒng)和以前的高效適配器與 Power Integrations 的 Innoswitch? AC-DC 轉(zhuǎn)換器 IC（包括使用 GaN 電源開關(guān)的最新系列成員）供電的適配器的性能。

圖 2：隨著電源開關(guān)效率的提高，能量損失（熱量）減少。熱量的減少意味著將熱量從設(shè)備中傳導(dǎo)出去所需的表面積也減少了。表面積的減少意味著電源受熱限制的體積（電源必須具有的最小尺寸才能處理產(chǎn)生的熱量）也減少。有趣的是，最高效率設(shè)計(jì)也是通過準(zhǔn)諧振反激電源在 70 kHz 的平均開關(guān)頻率下運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)的。
熱限制體積 ∝ ((1-efficiency)/6) 3/2?

GaN 開關(guān)的效率階躍變化于 2018 年首次出現(xiàn)在充電器和適配器中，并導(dǎo)致充電器/適配器占用空間的顯著減少和與圖 2 中描述的非常接近的體積比。圖 3 顯示了最新的 GaN充電器，它使用 Power Integrations 的 PowiGaN? GaN 晶體管技術(shù)，與突破性的 2008 設(shè)計(jì)和使用最佳可用硅開關(guān)技術(shù)的高性能設(shè)計(jì)相比。

圖 3：GaN 技術(shù)的引入極大地減小了電源充電器的尺寸。開關(guān)頻率保持相似，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有些相似——但功率開關(guān)技術(shù)的改進(jìn)和顯著的集成顯著提高了性能。

應(yīng)對GaN的挑戰(zhàn)

GaN 器件重塑了功率密度思維。最成功的電源設(shè)計(jì)利用提高的開關(guān)效率來減小轉(zhuǎn)換器尺寸。驅(qū)動 GaN 器件給設(shè)計(jì)人員帶來了挑戰(zhàn)，必須在實(shí)際設(shè)計(jì)中克服這些挑戰(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（米勒電容）非常?。ù蠹s幾個(gè) nC），這確保了快速開關(guān)轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致低開關(guān)損失。

為了在關(guān)閉 GaN 器件的同時(shí)避免誤觸發(fā)，分立電流檢測電路，插入一個(gè)接近（并且在某些情況下超過?。〨aN 開關(guān)導(dǎo)通電阻的串聯(lián)阻抗。電阻對于確保保護(hù)電路的準(zhǔn)確短路檢測和快速環(huán)路響應(yīng)是必要的。在力求最大效率的設(shè)計(jì)中，這是一個(gè)缺點(diǎn)；因此，工程師們轉(zhuǎn)向?qū)?SenseFET 構(gòu)建到 GaN 器件結(jié)構(gòu)中的集成無損電流感測電路。

圖 4：分立 GaN 電路中對電流檢測電阻器的要求是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了引起快速的環(huán)路響應(yīng)，必須增加電阻以產(chǎn)生足夠的電壓降，從而為電流檢測電路提供強(qiáng)偏置。在上面的簡化示意圖中，電阻值是由實(shí)際參考設(shè)計(jì)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(yán)重的噪聲問題。走線電感和開關(guān)電容的組合會在開關(guān)事件期間引起高頻振鈴，從而導(dǎo)致電路運(yùn)行出現(xiàn)噪聲問題。對于 GaN 開關(guān)，它是通過結(jié)合布局和 GaN 集成來減小開關(guān)環(huán)路（和次級整流器環(huán)路，在變壓器中表現(xiàn)為“額外”漏電感）的尺寸來降低寄生電感。圖 5 顯示了在 GaN 開關(guān)電路中有助于振鈴的電路元件。

圖 5：在過渡期間有助于切換振蕩的元素。請注意變壓器匝數(shù)比放大的次級跡線電感對初級漏電感的貢獻(xiàn)

除了控制環(huán)路電感外，還必須考慮適當(dāng)調(diào)整柵極驅(qū)動電路的大小、電源開關(guān)的大小和柵極電荷特性。為了減少交叉損耗（柵極電壓和電流），需要柵極轉(zhuǎn)換。降低 EMI 變化率受到柵極電阻和驅(qū)動源/灌電流的限制，這應(yīng)該與 GaN 器件匹配。圖 6 比較了 GaN 和 Si 從適當(dāng)大小的柵極驅(qū)動器切換的轉(zhuǎn)換速率。

圖 6：使用相同變壓器和布局方法的類似設(shè)計(jì)的 Si 關(guān)斷與 GaN 關(guān)斷的比較。請注意 GaN 器件更明確的關(guān)斷特性，可以快速克服米勒電容和相關(guān)的柵極電荷來關(guān)斷器件。

驅(qū)動功率 FET 時(shí)還需要考慮其他幾個(gè)方面。啟動時(shí)如何控制常開GaN結(jié)構(gòu)；將與硅開關(guān)中過量漏極電壓相關(guān)的擊穿和雪崩與 GaN 器件中更穩(wěn)健的參數(shù)偏移現(xiàn)象進(jìn)行比較；開關(guān)頻率的優(yōu)化以及變壓器尺寸與較小的受熱限制體積的權(quán)衡；可編程電源轉(zhuǎn)換和 USB PD 和 PPS 對電路效率施加的限制。每一篇都是單獨(dú)的一篇文章。

審核編輯：劉清