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氮化镓(GaN)接替硅,支持高能效、高频电源设计

关键词:氮化镓(GaN) GaN电源开关

时间:2020-01-20 09:27:50      来源:安森美半导体

在所有电力电子应用中,功率密度是关键指标之一,这主要由更高能效和更高开关频率驱动。随着基于硅的技术接近其发展极限,设计工程师现在正寻求宽禁带技术如氮化镓(GaN)来提供方案。

作者:安森美半导体策略营销总监Yong Ang

在所有电力电子应用中,功率密度是关键指标之一,这主要由更高能效和更高开关频率驱动。随着基于硅的技术接近其发展极限,设计工程师现在正寻求宽禁带技术如氮化镓(GaN)来提供方案。

对于新技术而言,GaN本质上比其将取代的技术(硅)成本低。 GaN器件与硅器件是在同一工厂用相同的制造程序生产出。因此,由于GaN器件小于等效硅器件,因此每个晶片可以生产更多的器件,从而降低了每个晶片的成本。

GaN有许多性能优势,包括远高于硅的电子迁移率(3.4eV对比1.1eV),这使其具有比硅高1000倍的电子传导效率的潜力。值得注意的是,GaN的门极电荷(QG)较低,并且由于必须在每个开关周期内对其进行补充,因此GaN能够以高达1 MHz的频率工作,效率不会降低,而硅则难以达到100 kHz以上。此外,与硅不同,GaN没有体二极管,其在AlGaN / GaN边界表面的2DEG可以沿相反方向传导电流(称为“第三象限”操作)。因此,GaN没有反向恢复电荷(QRR),使其非常适合硬开关应用。


图1:GaN经优化实现快速开关

GaN确实具有有限的雪崩能力,并且比硅更容易受到过电压的影响,因此极其适用于漏-源电压(VDS)钳位在轨电压的半桥拓扑。无体二极管使GaN成为硬开关图腾柱功率因数校正(PFC)的很好的选择,并且GaN也非常适用于零电压开关(ZVS)应用,包括谐振LLC和有源钳位反激。

45 W至65 W功率水平的快速充电适配器将得益于基于GaN的有源钳位反激,而基于LLC的GaN用于150 W至300 W的高端笔记本电脑电源适配器中,例如用于游戏的笔记本电脑。在这些应用中,使用GaN技术可使功率密度增加一倍,从而使适配器更小、更轻。特别地,相关的磁性元器件能够减小尺寸。例如,电源变压器内核的尺寸可从RM10减小为RM8的薄型或平面设计。因此,在许多应用中,功率密度增加了一倍甚至三倍,达30 W / in3

在更高功率的应用中,例如为服务器、云和电信系统供电的电源,尤其是基于图腾柱PFC的电源,采用GaN可使能效超过99%。这使这些系统能够满足最重要的(和严格的)能效标准,如80+ titanium。

驱动GaN器件的方法对于保护相对敏感的栅极氧化物至关重要。在器件导通期间提供精确调节的门极驱动幅值尤为重要。实现此目的的一种方法是添加低压降稳压器(LDO)到现有的硅MOSFET门极驱动器中。但这会损害门极驱动性能,因此,最好使用驱动GaN的专用半桥驱动器。

更具体地说,硅MOSFET驱动器的典型传输延迟时间约为100 ns,这不适合驱动速度在500 kHz到1 MHz之间的GaN器件。对于此类速度,理想情况下,传输延迟应不超过50 ns。

由于电容较低,因此在GaN器件的漏极和源极之间有高电压转换率。这可能导致器件过早失效甚至发生灾难性故障,尤其是在大功率应用中。为避免这种情况,必须有高的dv / dt抗扰度(在100 V / ns的范围内)。

PCB会对GaN设计的性能产生实质性影响,因此经常使用RF型布局中常用的技术。我们还建议对门极驱动器使用低电感封装(如PQFN)。

安森美半导体的NCP51820是业界首款半桥门极驱动器,专门设计用于GaN技术。它具有调节的5.2 V门极驱动,典型的传输延迟仅为25 ns。它具有高达200 V / ns的dv / dt抗扰度,采用低电感PQFN封装。


图2:NCP51820高性能、650 V半桥门极驱动器用于GaN电源开关

最初采用GaN技术并增长的将是如低功率快速充电USB PD电源适配器和游戏类笔记本电脑高功率适配器等应用。这主要归因于有控制器和驱动器可支持需要高开关频率的这些应用,从而缩短了设计周期。随着合适的驱动器、控制器和模块方案可用于服务器、云和电信等更高功率的应用,那么GaN也将被采用。

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