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使用集成式 eGaN 功率级构建高能量密度电源

2019-08-15 09:38 次阅读
模式电源 (SMPS) 可加快充电速度,减小太阳能微型逆变器的尺寸,并满足服务器农场电源要求,绝对不会出现过热现象。然而,工程师现在面临硅 MOSFETIGBT 的性能极限,这些器件构成传统 SMPS 的主要开关元件。相反,采用增强型氮化镓 (eGaN)(一种宽带隙半导体)制成的晶体管现可以克服硅器件的开关速度和能效限制。

以前,eGaN 管的成本和可用性使其局限于最为复杂的电源应用,但更广泛的商业化已经解决了这一难题。eGaN 晶体管现已广泛用于各种应用。

本文首先介绍相比基于传统硅 (Si) MOSFET 或 IGBT 的高频电源,基于 eGaN 开关的高频电源优势。接着会介绍如何使用 、 和  的 eGaN 功率级来构建适用于电池充电或服务器农场等应用的 SMPS 设计。

高频优势

传统 SMPS 通常采用的开关频率范围为数十至数百千赫兹 (kHz)。基本频率的脉冲宽度调制 (PWM) 的占空比决定了电源的电压输出。

较高开关频率的主要优势在于减小了、变压器电阻器等外设元器件的尺寸。因而,设计人员就可以在保持同等输出功率的情况下简化设计,从而增加能量密度。此外,SMPS 输出端的电流和电压纹波也会减少,从而降低了电磁干扰 (EMI) 的风险和滤波器的成本,并缩小了尺寸。

安徽彩票15选5开奖结果 然而,传统硅功率 MOSFET 和 IGBT 开关速度相对较慢,每次开通闭合时,器件耗散功率相当大。随着频率的提高,功耗会成倍增加,导致能效降低和芯片温度升高。开关速度慢且开关功耗大,给目前的 SMPS 实际开关频率设置了上限。

设计人员可以借助宽带隙半导体来打破这一上限。其中,GaN 是目前用于该应用的最成熟、最便利的技术,而 eGaN 是 GaN 的改良版。

比较硅与 GaN

与硅相比,GaN 具有多种优势,其中几种优势与该材料的电子迁移率较高有关。电子迁移率较高使半导体电压更高(高于 600 伏),“电流密度”(安培/平方厘米 (A/cm2))更大。GaN 的另一个优势在于采用该材料制成的晶体管不会出现反向恢复电荷,而这种现象可能会引起很大的开关过冲电流(瞬时振荡)。

安徽彩票15选5开奖结果 虽然这些特性对于电源设计人员来说很重要,但或许更重要的是,高电子迁移率使 GaN 晶体管的关断时间大约只有硅 MOSFET 的四分之一。此外,在给定开关频率和电流的情况下,每次开通闭合时,GaN 器件的功耗约为硅晶体管的 10% 至 30%。因此,与硅 MOSFET、IGBT 或碳化硅 (SiC) 器件相比,GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的驱动频率更高(图 1)。

GaN HEMT 可实现更高频率开关模式电源示意图

安徽彩票15选5开奖结果 图 1:与硅或 SiC 器件相比,GaN HEMT 可实现更高频率开关模式电源。(图片来源:)

基于两个关键原因,GaN HEMT 的普及速度比较缓慢。首先,这种器件实质上是耗尽型场效应晶体管 (FET),即“常开”型。相反,硅 MOSFET 是增强型场效应晶体管,即“常闭”型。因此,GaN HEMT 必须额外设计经仔细调校的偏置电路才能正常工作。其次,这种晶体管在制造工艺方面与硅所采用的成熟、大批量技术不同,这使它们更为昂贵。设计复杂且成本过高使 GaN HEMT 应用局限于高端 SMPS。

安徽彩票15选5开奖结果 但最近,eGaN HEMT 已经商业化,不再需要偏置电路。而且,芯片供应商已推出基于 eGaN HEMT 的集成式电源 IC 驱动器,简化了设计。此外,生产水平的提高也降低了 eGaN 器件的成本。

集成式 GaN 解决方案

以前,在使用 eGaN HEMT 的高端 SMPS 设计中,由于价格高昂,设计人员只能将这些器件用作功率晶体管,而则还是使用硅 MOSFET。虽然与“全硅”设计相比实现了部分性能的提升,但组合设计中的硅元件仍然影响了最大开关频率。此外,由于 GaN 和硅使用的工艺技术不同,栅极驱动器和功率晶体管必须作为单独的元器件制造,因而增加了成本和尺寸。

eGaN 价格降低使芯片制造商能够解决这两个问题。例如,Texas Instruments 在其  的集成栅极驱动中集成了 70 毫欧姆 (mΩ)、600 伏 eGaN 功率级(图 2)。

Texas Instruments 的 LMG3411R070 示意图

图 2:Texas Instruments 的 LMG3411R070 在其驱动器中集成了一个 70 mΩ、600 V 的 eGaN 功率级。(图片来源:Texas Instruments)

安徽彩票15选5开奖结果 该芯片的压摆率可达 100 伏/纳秒 (ns) 且瞬时振荡近乎为零(图 3)。相比之下,传统硅功率 MOSFET 的压摆率典型值为 3 至 10 V/ns。

TI 的 LMG3411R070 集成式 eGaN 功率级示意图

图 3:TI 的 LMG3411R070 集成式 eGaN 功率级表明,相比 MOSFET,eGaN 功率晶体管可以在瞬时振荡最小的情况下实现更高的压摆率。(图片来源:Texas Instruments)

Navitas Semiconductor 制造了类似产品 。该产品在 5 x 6 毫米 (mm) QFN 封装中集成了 300 mΩ、650 V 的 eGaN HEMT、栅极驱动器和相关逻辑电路。NV6113 的压摆率可达 200 V/ns,工作频率高达 2 兆赫兹 (MHz)。

安徽彩票15选5开奖结果 TI 和 Navitas 的 GaN 功率级等器件可并行部署,用于常见的半桥拓扑结构(图 4),同时还有一些产品在同一芯片上集成了两个功率晶体管(及对应的栅极驱动器)。

Navitas NV6113 示意图

安徽彩票15选5开奖结果 图 4:如图所示,Navitas 的 NV6113 可并行部署,用于半桥拓扑结构。(图片来源:Navitas Semiconductor)

例如,EPC 最近推出了 ,这款集成驱动器 IC,包含两个 88 mΩ、150 V 的单片式 eGaN 功率晶体管,各配一个优化型栅极驱动器(图 5)。EPC2115 采用低电感安徽彩票15选5开奖结果 2.9 x 1.1 mm 封装,最高可在 7 MHz 下运行。

EPC 的 eGaN 集成驱动器 IC 示意图

安徽彩票15选5开奖结果 图 5:EPC 的 eGaN 集成驱动器 IC 包含两个功率晶体管,各配有相应的优化型栅极驱动器。(图片来源:EPC)

一般情况下,使用 eGaN HEMT 设计电源与使用硅 MOSFET 设计遵循相同的原理,但是工作频率更高会影响外设元器件的选择。

外设元器件的选择

为了说明频率对元器件选择的影响,请考虑为实现简单的 DC-DC SMPS 降低电压(“降压”)拓扑,如何选择输入电容器

输入电容安徽彩票15选5开奖结果器可降低输入电压纹波幅度,进而抑制纹波电流,使其达到可由相对便宜的大容量电容器处理的水平,且不会产生过大的功率耗散。若要将大容量电容器的电流保持在可接受限值范围内,根据经验,最好是将峰-峰电压纹波幅度降低到 75 毫伏 (mV) 以下。输入电容器通常是陶瓷器件,因为它们只需极小的等效串联 (ESR) 就能有效降低纹波电压。

若要确定将峰-峰值电压纹波幅度降低到既定幅度所需的陶瓷输入电容器的电容值,可以使用公式 1:

公式 1

其中:

对于高端硅功率级,使用一些工作典型值计算可得出:

安徽彩票15选5开奖结果 求得 CMIN = 92 µF

对效率略有提高而其他工作条件类似的 eGaN 功率级(如工作频率为 2 MHz 的 Navitas 器件)重复以上计算可得出:

求得 CMIN = 13 µF

CMIN 减小,因而可以使用较小元器件。

安徽彩票15选5开奖结果 尽管 eGaN HEMT 的快速关断通常很有优势,但也带来了一些独特的设计挑战。其中最重要的就是造成过高的压摆率。

控制压摆率

安徽彩票15选5开奖结果 较高的压摆率 (dV/dt) 可能会引起以下问题:

安徽彩票15选5开奖结果 这些问题在启动或硬开关条件下最为明显。

安徽彩票15选5开奖结果 使用 Navitas 产品时,一种简单的解决方案是通过在 CVDD 电容器与 VDD 引脚之间添加电阻器来控制导通时的压摆率(同样见图 4)。该电阻器 (RDD) 的大小决定了集成式栅极驱动器的导通电流和功率 FET 漏极的导通(下降)沿压摆率(图 6)。

Navitas Semiconductor 的 NV6113 导通电流示意图

图 6:RDD 电阻器的大小决定了 NV6113 导通电流和功率 FET 漏极的导通(下降)沿压摆率。(图片来源:Navitas Semiconductor)

安徽彩票15选5开奖结果 只需将电阻器 (RDRV) 连接到功率晶体管源极,LMG3411 也支持压摆率调节(同样见图 2)。选择电阻器可将漏极电压的压摆率控制在大约 25 至 100 V/ns 之间。

压摆率的选择最终是一种权衡。开关速度更快,导致同时(且低效地)产生的大电流持续时间缩短,因此可降低功率损耗,但其他性能指标也随之降低。根据经验,最好是在确保 EMI、过冲和瞬时振荡在规定范围内的前提下,实现最快的开关速度。

第二个设计挑战是因高频工作引起过流事件的风险。

过流保护的重要性

设计具有更高开关频率 SMPS 的关键优势是缩小无源元器件的尺寸,进而增大整体功率密度。但缺点在于在发生过流事件时,高功率密度会增大受损的可能性。过流事件是 SMPS 经常存在的风险。此外,由于电源印刷印制线的外部寄生电感,过高尖峰电流可能导致误触发。

虽然快速过流保护 (OCP) 对于使用传统 MOSFET 的 SMPS 来说很重要,但对于 eGaN HEMT 来说却更为重要,因为:

一种传统的 OCP 方法是使用电流互感器、分流电阻器或去饱和检测电路(如下表)。然而,这会增大电源回路的寄生电感和电阻,反而需要降低压摆率,且导致功率耗散升高,从而对系统性能产生不利影响。此外,互感器或分流电阻器等分立器件会增加成本,占用电路板空间。

安徽彩票15选5开奖结果 另一种 OCP 方法是使用电流检测元件、电平位移器(将信号发送给控制器)和检测电路来检测 GaN FET 的漏源电压 (VDS)。这种方法的优势在于不产生寄生电感和电阻,故不会影响电路性能,但精度不佳,主要是因为 GaN 的温度系数较大。

第三种方法是选择集成了 OCP 功能的集成式 eGaN 功率级。这克服了上述两种方法的缺点。TI 的 LMG3411 就是一款具备此功能的产品。若检测到过流,LMG3411 的保护电路安徽彩票15选5开奖结果可在 100 ns 内关断 eGaN HEMT。若下一个周期时,PWM 输入恢复为低电平,则输出故障信号便会清除。这样,下一个周期时 eGaN HEMT 就能正常导通,从而最大限度地减少输出中断。

OCP 方法 OCP 性能 系统影响 所需元器件 尺寸/成本
分流电阻器 + 低容差电阻器可提供良好的精度 - 电源回路电感值高,功率损耗大 - 检测电阻、检测电路、电平位移器 - 中/中
电流互感器 + 0.1% 线性度 - 电源回路电感值高,占空比高时无保护作用 - 电流互感器、检测电路 - 大/高
VDS 检测 - FET 的工艺变化,RDSON 温度系数大 + 无 - 检测电路、电平位移器 - 中/中
集成 OCP + 响应时间小于 100 ns + 无 - 电平位移器 + 无需外部元器件

表:GaN HEMT 功率级的 OCP 方法选择汇总。对于不熟悉该技术的设计人员来说,选择集成 OCP 的功率级是最简单的解决方案。(图片来源:Texas Instruments)

总结

随着太阳能逆变器和服务器农场等应用对高能量密度 SMPS 的需求不断增长,加之每个器件成本的降低,eGaN HEMT 成为更多电源设计的有吸引力选择。虽然使用 eGaN HEMT 进行设计可能非常棘手,但随着集成了栅极驱动器和功率晶体管的 eGaN HEMT 功率级的推出,SMPS 设计人员能更轻松地将该技术融入下一个高功率密度设计之中。

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