作者：安森美策略營(yíng)銷總監(jiān)Yong Ang

提高能效一直是電源制造商的一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)。這是真正的“雙贏”，因?yàn)檫@不僅降低運(yùn)行成本，而且減少了以熱的形式浪費(fèi)能量，意味著需要更少的散熱管理，從而減小了電源的尺寸和成本。其他好處包括需要更少的冷卻處理以減少風(fēng)扇的噪聲。

過去，電源(PSU)的能效通常引用一個(gè)單一的數(shù)字來說明可能的最佳能效。然而，在許多應(yīng)用中，PSU在不同的負(fù)載水平下工作，很少能達(dá)到標(biāo)題中提到的能效標(biāo)準(zhǔn)。特別是，當(dāng)PSU在較低的功率水平下運(yùn)行時(shí)，這就是個(gè)問題。

—80 Plus是個(gè)推薦標(biāo)準(zhǔn)，旨在解決整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的高能效問題。它規(guī)定了從“基本”到“titanium”的六個(gè)級(jí)別在20%、50%和100%負(fù)載下要求達(dá)到的最低能效水平是80%。

—Titanium級(jí)別是最高的，比80 Plus增加了要求，即使在10%的負(fù)載需達(dá)到90%的能效，這是最嚴(yán)格的要求，只有更高功率的PSU才有可能實(shí)現(xiàn)。

氮化鎵(GaN) – 理想的開關(guān)?

雖然硅基半導(dǎo)體器件近年來有了很大的改進(jìn)，但80 Plus的嚴(yán)苛要求意味著需要新的技術(shù)來達(dá)到最高能效水平——特別是Titanium標(biāo)準(zhǔn)。碳化硅(SiC)和氮化鎵等寬禁帶(WBG)技術(shù)正成為主流，使設(shè)計(jì)的能效高達(dá)99%。

SiC可能更成熟，但GaN具有更低的導(dǎo)通電阻和更快的開關(guān)速度，有些人將其描述為“理想的開關(guān)”。基于GaN的高電子遷移率晶體管(HEMT)顯然在具挑戰(zhàn)的高能效應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。最簡(jiǎn)單的GaN開關(guān)被配置為常開，但現(xiàn)在常見的增強(qiáng)型或“e型”在施加零柵源電壓時(shí)是關(guān)斷的。這樣做的好處是使它們至少在最初以類似于硅MOSFET工作的方式工作。

服務(wù)器PSU是最高要求的應(yīng)用之一，只允許4%的損耗，使圖騰柱PFC(TPPFC)級(jí)通常與LLC或移相全橋(PSFB)等諧振DC-DC轉(zhuǎn)換器和同步整流輸出級(jí)相結(jié)合。

圖1：采用圖騰柱PFC級(jí)和PSFB全橋的服務(wù)器PSU設(shè)計(jì)，采用GaN開關(guān)

在整個(gè)PSU中分擔(dān)損耗，允許每個(gè)階段有2%的損耗，這說明必須在GaN開關(guān)的開關(guān)和靜態(tài)損耗之間取得良好的平衡。

增加裸片面積可減少靜態(tài)損耗，但這也會(huì)增加器件電容，反過來又會(huì)增加每個(gè)開關(guān)周期所需的電荷。這意味著減少靜態(tài)損耗將導(dǎo)致開關(guān)(動(dòng)態(tài))損耗的增加，盡管這種影響在GaN器件中相當(dāng)小，而且明顯好于硅基器件。

門驅(qū)動(dòng)挑戰(zhàn)

e-GaN HEMT器件與硅基開關(guān)之間最顯著的區(qū)別是對(duì)非常特定的門極驅(qū)動(dòng)的要求。輸入電容(CISS)通常很低，它是并聯(lián)柵極-源極和柵極-漏極的電容，兩者都很低。然而，門極電流的峰值可達(dá)到1 A，這就要求門極驅(qū)動(dòng)具有較低的源阻抗。在實(shí)際應(yīng)用中，加入了一些源極電阻來控制漏極的dV/dt，從而消除了電壓過沖和/或振蕩。

最佳的門極電阻在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)是不一樣的，所以通常的做法是使用單獨(dú)的電阻和一個(gè)二極管。在更精密的電路中，可對(duì)門極電流進(jìn)行有源控制(有電壓限制)。但最小化和平衡任何傳播延遲以充分利用GaN的速度優(yōu)勢(shì)非常重要。

e-GaN HEMT的閾值電壓約為1.6 V，因此在開關(guān)時(shí)出現(xiàn)的瞬態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致功率損耗，因?yàn)槠骷?huì)虛假地導(dǎo)通，而且可能會(huì)出現(xiàn)不良的“擊穿”，從而損壞器件。如果漏極上有較高的dV/dt，這可能是由于電荷通過柵極-漏極或“米勒”電容注入到門極而發(fā)生的。同樣，當(dāng)漏極-源極關(guān)斷di/dt較高時(shí)，任何與門極驅(qū)動(dòng)電路共用的源極電感都可能導(dǎo)致電壓瞬變，從而對(duì)抗門極關(guān)斷電壓。

為了應(yīng)對(duì)這些影響，設(shè)計(jì)中需控制dV/dt和di/dt，使其低于可能的最大值。這有助于減少EMI，并且可以在源頭提供一個(gè)“開爾文”連接以分離門極驅(qū)動(dòng)回路。

現(xiàn)成的集成GaN驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)GaN器件的最佳和最簡(jiǎn)單的方法是使用預(yù)先優(yōu)化的集成驅(qū)動(dòng)器方案，如安森美(onsemi)的NCP58920或NCP58921。 這些器件是650 V增強(qiáng)型GaN器件，具有150 mΩ和50 mΩ的導(dǎo)通電阻，適用于所有常見的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括TPPFC，它們?cè)凇坝查_關(guān)”應(yīng)用中表現(xiàn)特別好，其中GaN具有顯著優(yōu)勢(shì)。

在一個(gè)典型的低成本、TPPFC+LLC轉(zhuǎn)換器中，一對(duì)NCP58921器件能提供超過250 W的直流輸出，能效近95%。但在服務(wù)器電源中，以優(yōu)化的導(dǎo)通模式和磁學(xué)，可達(dá)到80+ Titanium的目標(biāo)。

圖2：使用安森美的NCP58291集成GaN+驅(qū)動(dòng)器的PSU，能效峰值約95%

NCP5892x器件采用熱能效高的PQFN 8x8封裝，焊盤裸露，結(jié)點(diǎn)到板的熱阻為0.4 °C/W。驅(qū)動(dòng)器部分的電源電壓是非觸發(fā)、非門限的，最低8.5 V，最高20 V，因?yàn)樵撈骷?nèi)部含一個(gè)6 V鉗位的低壓降穩(wěn)壓器(LDO)用于GaN HEMT驅(qū)動(dòng)器，如果需要還可集成一個(gè)用于外部數(shù)字隔離器電源的5 V LDO。

總結(jié)

GaN器件是最高性能的開關(guān)，提供極低的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗。當(dāng)與驅(qū)動(dòng)器共同封裝時(shí)，它們?cè)诟咝阅茈娫崔D(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)單應(yīng)用，可滿足嚴(yán)格的能效規(guī)范，如80 Plus Titanium。

原文標(biāo)題：符合80 Plus Titanium標(biāo)準(zhǔn)的氮化鎵設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

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審核編輯：湯梓紅