【導(dǎo)讀】本文首先介紹相比基于傳統(tǒng)硅 (Si) MOSFET 或 IGBT 的高頻電源,基于 eGaN 開關(guān)元器件的高頻電源優(yōu)勢(shì)。接著會(huì)介紹如何使用 EPC、Texas Instruments 和 Navitas Semiconductor的 eGaN 功率級(jí)來(lái)構(gòu)建適用于電池充電或服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)等應(yīng)用的 SMPS 設(shè)計(jì)。
高能量密度開關(guān)模式電源 (SMPS) 可加快電池充電速度,減小太陽(yáng)能微型逆變器的尺寸,并滿足服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)電源要求,絕對(duì)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。然而,工程師現(xiàn)在面臨硅 MOSFET 和 IGBT 的性能極限,這些器件構(gòu)成傳統(tǒng) SMPS 的主要開關(guān)元件。相反,采用增強(qiáng)型氮化鎵 (eGaN)(一種寬帶隙半導(dǎo)體)制成的晶體管現(xiàn)可以克服硅器件的開關(guān)速度和能效限制。
以前,eGaN 晶體管的成本和可用性使其局限于最為復(fù)雜的電源應(yīng)用,但更廣泛的商業(yè)化已經(jīng)解決了這一難題。eGaN 晶體管現(xiàn)已廣泛用于各種應(yīng)用。
本文首先介紹相比基于傳統(tǒng)硅 (Si) MOSFET 或 IGBT 的高頻電源,基于 eGaN 開關(guān)元器件的高頻電源優(yōu)勢(shì)。接著會(huì)介紹如何使用 EPC、Texas Instruments 和 Navitas Semiconductor的 eGaN 功率級(jí)來(lái)構(gòu)建適用于電池充電或服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)等應(yīng)用的 SMPS 設(shè)計(jì)。
提高SMPS開關(guān)頻率有什么優(yōu)勢(shì)
傳統(tǒng) SMPS 通常采用的開關(guān)頻率范圍為數(shù)十至數(shù)百千赫茲 (kHz)?;绢l率的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 的占空比決定了電源的電壓輸出。
較高開關(guān)頻率的主要優(yōu)勢(shì)在于減小了電感器、變壓器和電阻器等外設(shè)元器件的尺寸。因而,設(shè)計(jì)人員就可以在保持同等輸出功率的情況下簡(jiǎn)化設(shè)計(jì),從而增加能量密度。此外,SMPS 輸出端的電流和電壓紋波也會(huì)減少,從而降低了電磁干擾 (EMI) 的風(fēng)險(xiǎn)和濾波器電路的成本,并縮小了尺寸。
然而,傳統(tǒng)硅功率 MOSFET 和 IGBT 開關(guān)速度相對(duì)較慢,每次開通閉合時(shí),器件耗散功率相當(dāng)大。隨著頻率的提高,功耗會(huì)成倍增加,導(dǎo)致能效降低和芯片溫度升高。開關(guān)速度慢且開關(guān)功耗大,給目前的 SMPS 實(shí)際開關(guān)頻率設(shè)置了上限。
設(shè)計(jì)人員可以借助寬帶隙半導(dǎo)體來(lái)打破這一上限。其中,GaN 是目前用于該應(yīng)用的最成熟、最便利的技術(shù),而 eGaN 是 GaN 的改良版。
GaN與硅基器件的比較
與硅相比,GaN 具有多種優(yōu)勢(shì),其中幾種優(yōu)勢(shì)與該材料的電子遷移率較高有關(guān)。電子遷移率較高使半導(dǎo)體擊穿電壓更高(高于 600 伏),“電流密度”(安培/平方厘米 (A/cm2))更大。GaN 的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于采用該材料制成的晶體管不會(huì)出現(xiàn)反向恢復(fù)電荷,而這種現(xiàn)象可能會(huì)引起很大的開關(guān)過(guò)沖電流(瞬時(shí)振蕩)。
雖然這些特性對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)很重要,但或許更重要的是,高電子遷移率使 GaN 晶體管的關(guān)斷時(shí)間大約只有硅 MOSFET 的四分之一。此外,在給定開關(guān)頻率和電流的情況下,每次開通閉合時(shí),GaN 器件的功耗約為硅晶體管的 10% 至 30%。因此,與硅MOSFET、IGBT 或碳化硅 (SiC) 器件相比,GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的驅(qū)動(dòng)頻率更高(圖 1)。
圖1:與硅或 SiC 器件相比,GaN HEMT 可實(shí)現(xiàn)更高頻率開關(guān)模式電源。(圖片來(lái)源:Infineon)
基于兩個(gè)關(guān)鍵原因,GaN HEMT 的普及速度比較緩慢。首先,這種器件實(shí)質(zhì)上是耗盡型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET),即“常開”型。相反,硅 MOSFET 是增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管,即“常閉”型。因此,GaN HEMT 必須額外設(shè)計(jì)經(jīng)仔細(xì)調(diào)校的偏置電路才能正常工作。其次,這種晶體管在制造工藝方面與硅所采用的成熟、大批量技術(shù)不同,這使它們更為昂貴。設(shè)計(jì)復(fù)雜且成本過(guò)高使 GaN HEMT 應(yīng)用局限于高端 SMPS。
但最近,eGaN HEMT 已經(jīng)商業(yè)化,不再需要偏置電路。而且,芯片供應(yīng)商已推出基于 eGaN HEMT 的集成式電源 IC 驅(qū)動(dòng)器,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。此外,生產(chǎn)水平的提高也降低了 eGaN 器件的成本。
集成式 GaN 解決方案
以前,在使用 eGaN HEMT 的高端SMPS 設(shè)計(jì)中,由于價(jià)格高昂,設(shè)計(jì)人員只能將這些器件用作功率晶體管,而柵極驅(qū)動(dòng)器則還是使用硅 MOSFET。雖然與“全硅”設(shè)計(jì)相比實(shí)現(xiàn)了部分性能的提升,但組合設(shè)計(jì)中的硅元件仍然影響了最大開關(guān)頻率。此外,由于 GaN 和硅使用的工藝技術(shù)不同,柵極驅(qū)動(dòng)器和功率晶體管必須作為單獨(dú)的元器件制造,因而增加了成本和印刷電路板尺寸。
eGaN 價(jià)格降低使芯片制造商能夠解決這兩個(gè)問(wèn)題。例如,Texas Instruments 在其 LMG3411R070 的集成柵極驅(qū)動(dòng)中集成了70 毫歐姆 (mΩ)、600 伏 eGaN 功率級(jí)(圖 2)。
圖2:Texas Instruments 的 LMG3411R070 在其驅(qū)動(dòng)器中集成了一個(gè) 70 mΩ、600 V 的 eGaN 功率級(jí)。(圖片來(lái)源:Texas Instruments)
該芯片的壓擺率可達(dá) 100 伏/納秒 (ns) 且瞬時(shí)振蕩近乎為零(圖 3)。相比之下,傳統(tǒng)硅功率 MOSFET 的壓擺率典型值為 3 至10 V/ns。
圖3:TI 的 LMG3411R070 集成式 eGaN 功率級(jí)表明,相比 MOSFET,eGaN 功率晶體管可以在瞬時(shí)振蕩最小的情況下實(shí)現(xiàn)更高的壓擺率。(圖片來(lái)源:Texas Instruments)
Navitas Semiconductor 制造了類似產(chǎn)品 NV6113。該產(chǎn)品在 5 x 6 毫米 (mm) QFN封裝中集成了 300 mΩ、650 V 的 eGaN HEMT、柵極驅(qū)動(dòng)器和相關(guān)邏輯電路。NV6113 的壓擺率可達(dá) 200 V/ns,工作頻率高達(dá) 2 兆赫茲 (MHz)。
TI 和 Navitas 的 GaN 功率級(jí)等器件可并行部署,用于常見的半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(圖 4),同時(shí)還有一些產(chǎn)品在同一芯片上集成了兩個(gè)功率晶體管(及對(duì)應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)器)。
圖4:如圖所示,Navitas 的 NV6113 可并行部署,用于半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。(圖片來(lái)源:Navitas Semiconductor)
例如,EPC 最近推出了 EPC2115,這款集成驅(qū)動(dòng)器 IC,包含兩個(gè) 88 mΩ、150 V 的單片式 eGaN 功率晶體管,各配一個(gè)優(yōu)化型柵極驅(qū)動(dòng)器(圖 5)。EPC2115 采用低電感2.9 x 1.1 mm BGA 封裝,最高可在 7 MHz 下運(yùn)行。
圖5:EPC 的 eGaN 集成驅(qū)動(dòng)器 IC 包含兩個(gè)功率晶體管,各配有相應(yīng)的優(yōu)化型柵極驅(qū)動(dòng)器。(圖片來(lái)源:EPC)
一般情況下,使用 eGaN HEMT 設(shè)計(jì)電源與使用硅 MOSFET 設(shè)計(jì)遵循相同的原理,但是工作頻率更高會(huì)影響外設(shè)元器件的選擇。
外設(shè)元器件的選擇
為了說(shuō)明頻率對(duì)元器件選擇的影響,請(qǐng)考慮為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的 DC-DC SMPS 降低電壓(“降壓”)拓?fù)?,如何選擇輸入電容器。
輸入電容器可降低輸入電壓紋波幅度,進(jìn)而抑制紋波電流,使其達(dá)到可由相對(duì)便宜的大容量電容器處理的水平,且不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的功率耗散。若要將大容量電容器的電流保持在可接受限值范圍內(nèi),根據(jù)經(jīng)驗(yàn),最好是將峰-峰電壓紋波幅度降低到 75 毫伏(mV) 以下。輸入電容器通常是陶瓷器件,因?yàn)樗鼈冎恍铇O小的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 就能有效降低紋波電壓。
若要確定將峰-峰值電壓紋波幅度降低到既定幅度所需的陶瓷輸入電容器的電容值,可以使用公式 1:
其中:
CMIN 是所需陶瓷輸入電容器的最小電容(以微法(μF) 為單位)
fSW 是開關(guān)頻率(以 kHz 為單位)
VP(max) 是允許的最大峰-峰紋波電壓
IOUT 是穩(wěn)態(tài)輸出負(fù)載電流
dc 是占空比(如上所述)
(引自參考文獻(xiàn) 1)
對(duì)于高端硅功率級(jí),使用一些工作典型值計(jì)算可得出:
VIN = 12 V
VOUT = 3.3 V
IOUT = 10 A
η = 93%
fSW = 300 kHz
dc = 0.296
VP(max) = 75 mV
求得 CMIN = 92 µF
對(duì)效率略有提高而其他工作條件類似的 eGaN 功率級(jí)(如工作頻率為 2 MHz 的 Navitas 器件)重復(fù)以上計(jì)算可得出:
VIN = 12 V
VOUT = 3.3 V
IOUT = 10 A
η = 95%
fSW = 2000 kHz
dc = 0.289
VP(max) = 75 mV
求得 CMIN = 13 µF
CMIN 減小,因而可以使用較小元器件
盡管 eGaN HEMT 的快速關(guān)斷通常很有優(yōu)勢(shì),但也帶來(lái)了一些獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。其中最重要的就是造成過(guò)高的壓擺率。
控制壓擺率
較高的壓擺率 (dV/dt) 可能會(huì)引起以下問(wèn)題:
增加開關(guān)損耗
輻射和傳導(dǎo) EMI
在與開關(guān)節(jié)點(diǎn)耦合的電路中,對(duì)其他器件造成干擾
由于電源回路的電感和其他寄生元件,造成了開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電壓過(guò)沖和瞬時(shí)振蕩
這些問(wèn)題在啟動(dòng)或硬開關(guān)條件下最為明顯。
使用 Navitas 產(chǎn)品時(shí),一種簡(jiǎn)單的解決方案是通過(guò)在 CVDD 電容器與 VDD 引腳之間添加電阻器來(lái)控制導(dǎo)通時(shí)的壓擺率(同樣見圖 4)。該電阻器 (RDD) 的大小決定了集成式柵極驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通電流和功率 FET 漏極的導(dǎo)通(下降)沿壓擺率(圖 6)。
圖6:RDD 電阻器的大小決定了 NV6113 導(dǎo)通電流和功率 FET 漏極的導(dǎo)通(下降)沿壓擺率。(圖片來(lái)源:Navitas Semiconductor)
只需將電阻器 (RDRV) 連接到功率晶體管源極,LMG3411 也支持壓擺率調(diào)節(jié)(同樣見圖 2)。選擇電阻器可將漏極電壓的壓擺率控制在大約 25 至 100 V/ns 之間。
壓擺率的選擇最終是一種權(quán)衡。開關(guān)速度更快,導(dǎo)致同時(shí)(且低效地)產(chǎn)生的大電流持續(xù)時(shí)間縮短,因此可降低功率損耗,但其他性能指標(biāo)也隨之降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),最好是在確保 EMI、過(guò)沖和瞬時(shí)振蕩在規(guī)定范圍內(nèi)的前提下,實(shí)現(xiàn)最快的開關(guān)速度。
第二個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是因高頻工作引起過(guò)流事件的風(fēng)險(xiǎn)。
過(guò)流保護(hù)的重要性
設(shè)計(jì)具有更高開關(guān)頻率 SMPS 的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是縮小無(wú)源元器件的尺寸,進(jìn)而增大整體功率密度。但缺點(diǎn)在于在發(fā)生過(guò)流事件時(shí),高功率密度會(huì)增大受損的可能性。過(guò)流事件是 SMPS 經(jīng)常存在的風(fēng)險(xiǎn)。此外,由于電源印刷電路板印制線的外部寄生電感,過(guò)高尖峰電流可能導(dǎo)致誤觸發(fā)。
雖然快速過(guò)流保護(hù) (OCP) 對(duì)于使用傳統(tǒng)MOSFET 的 SMPS 來(lái)說(shuō)很重要,但對(duì)于 eGaN HEMT 來(lái)說(shuō)卻更為重要,因?yàn)椋?/div>
在阻斷電壓和導(dǎo)通電阻相同的情況下,eGaN HEMT 的尺寸要小得多,因此在過(guò)流時(shí)就更難散熱;
eGaN HEMT 在線性區(qū)域內(nèi)工作時(shí),就必須檢測(cè)出過(guò)流,否則器件會(huì)迅速進(jìn)入飽和狀態(tài),從而導(dǎo)致功率耗散過(guò)大和器件受損。
一種傳統(tǒng)的 OCP 方法是使用電流互感器、分流電阻器或去飽和檢測(cè)電路(如下表)。然而,這會(huì)增大電源回路的寄生電感和電阻,反而需要降低壓擺率,且導(dǎo)致功率耗散升高,從而對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響。此外,互感器或分流電阻器等分立器件會(huì)增加成本,占用電路板空間。
另一種 OCP 方法是使用電流檢測(cè)元件、電平位移器(將信號(hào)發(fā)送給控制器)和檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè) GaN FET 的漏源電壓 (VDS)。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于不產(chǎn)生寄生電感和電阻,故不會(huì)影響電路性能,但精度不佳,主要是因?yàn)?GaN 的溫度系數(shù)較大。
第三種方法是選擇集成了 OCP 功能的集成式eGaN 功率級(jí)。這克服了上述兩種方法的缺點(diǎn)。TI 的LMG3411 就是一款具備此功能的產(chǎn)品。若檢測(cè)到過(guò)流,LMG3411 的保護(hù)電路可在 100 ns 內(nèi)關(guān)斷 eGaN HEMT。若下一個(gè)周期時(shí),PWM 輸入恢復(fù)為低電平,則輸出故障信號(hào)便會(huì)清除。這樣,下一個(gè)周期時(shí) eGaN HEMT就能正常導(dǎo)通,從而最大限度地減少輸出中斷。
表:GaN HEMT 功率級(jí)的 OCP 方法選擇匯總。對(duì)于不熟悉該技術(shù)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),選擇集成 OCP 的功率級(jí)是最簡(jiǎn)單的解決方案。(圖片來(lái)源:Texas Instruments)
總結(jié)
隨著太陽(yáng)能逆變器和服務(wù)器農(nóng)場(chǎng)等應(yīng)用對(duì)高能量密度 SMPS 的需求不斷增長(zhǎng),加之每個(gè)器件成本的降低,eGaN HEMT 成為更多電源設(shè)計(jì)的有吸引力選擇。雖然使用 eGaN HEMT 進(jìn)行設(shè)計(jì)可能非常棘手,但隨著集成了柵極驅(qū)動(dòng)器和功率晶體管的 eGaN HEMT 功率級(jí)的推出,SMPS 設(shè)計(jì)人員能更輕松地將該技術(shù)融入下一個(gè)高功率密度設(shè)計(jì)之中。
— 參考文獻(xiàn) —
1.“Input and Output Capacitor Selection,” Jason Arrigo, Texas Instruments, application report SLTA055, February 2006.
來(lái)源:得捷電子DigiKey 作者:Steven Keeping