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使用集成式 eGaN 功率級構建高能量密度電源

2019-08-15 09:38 ? 次閱讀

高能量密度開關模式電源 (SMPS) 可加快電池充電速度,減小太陽能微型逆變器的尺寸,并滿足服務器農場電源要求,絕對不會出現過熱現象。然而,工程師現在面臨硅 MOSFETIGBT 的性能極限,這些器件構成傳統 SMPS 的主要開關元件。相反,采用增強型氮化鎵 (eGaN)(一種寬帶隙半導體)制成的晶體管現可以克服硅器件的開關速度和能效限制。

以前,eGaN 晶體管的成本和可用性使其局限于最為復雜的電源應用,但更廣泛的商業化已經解決了這一難題。eGaN 晶體管現已廣泛用于各種應用。

本文首先介紹相比基于傳統硅 (Si) MOSFET 或 IGBT 的高頻電源,基于 eGaN 開關元器件的高頻電源優勢。接著會介紹如何使用?EPC、Texas Instruments?和?Navitas Semiconductor?的 eGaN 功率級來構建適用于電池充電或服務器農場等應用的 SMPS 設計。

高頻優勢

傳統 SMPS 通常采用的開關頻率范圍為數十至數百千赫茲 (kHz)?;绢l率的脈沖寬度調制 (PWM) 的占空比決定了電源的電壓輸出。

較高開關頻率的主要優勢在于減小了電感器、變壓器電阻器等外設元器件的尺寸。因而,設計人員就可以在保持同等輸出功率的情況下簡化設計,從而增加能量密度。此外,SMPS 輸出端的電流和電壓紋波也會減少,從而降低了電磁干擾 (EMI) 的風險和濾波器電路的成本,并縮小了尺寸。

然而,傳統硅功率 MOSFET 和 IGBT 開關速度相對較慢,每次開通閉合時,器件耗散功率相當大。隨著頻率的提高,功耗會成倍增加,導致能效降低和芯片溫度升高。開關速度慢且開關功耗大,給目前的 SMPS 實際開關頻率設置了上限。

設計人員可以借助寬帶隙半導體來打破這一上限。其中,GaN 是目前用于該應用的最成熟、最便利的技術,而 eGaN 是 GaN 的改良版。

比較硅與 GaN

與硅相比,GaN 具有多種優勢,其中幾種優勢與該材料的電子遷移率較高有關。電子遷移率較高使半導體擊穿電壓更高(高于 600 伏),“電流密度”(安培/平方厘米?(A/cm2))更大。GaN 的另一個優勢在于采用該材料制成的晶體管不會出現反向恢復電荷,而這種現象可能會引起很大的開關過沖電流(瞬時振蕩)。

雖然這些特性對于電源設計人員來說很重要,但或許更重要的是,高電子遷移率使 GaN 晶體管的關斷時間大約只有硅 MOSFET 的四分之一。此外,在給定開關頻率和電流的情況下,每次開通閉合時,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) 的驅動頻率更高(圖 1)。

GaN HEMT 可實現更高頻率開關模式電源示意圖

圖 1:與硅或 SiC 器件相比,GaN HEMT 可實現更高頻率開關模式電源。(圖片來源:Infineon

基于兩個關鍵原因,GaN HEMT 的普及速度比較緩慢。首先,這種器件實質上是耗盡型場效應晶體管 (FET),即“常開”型。相反,硅 MOSFET 是增強型場效應晶體管,即“常閉”型。因此,GaN HEMT 必須額外設計經仔細調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、大批量技術不同,這使它們更為昂貴。設計復雜且成本過高使 GaN HEMT 應用局限于高端 SMPS。

但最近,eGaN HEMT 已經商業化,不再需要偏置電路。而且,芯片供應商已推出基于 eGaN HEMT 的集成式電源 IC 驅動器,簡化了設計。此外,生產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 設計中,由于價格高昂,設計人員只能將這些器件用作功率晶體管,而柵極驅動器則還是使用硅 MOSFET。雖然與“全硅”設計相比實現了部分性能的提升,但組合設計中的硅元件仍然影響了最大開關頻率。此外,由于 GaN 和硅使用的工藝技術不同,柵極驅動器和功率晶體管必須作為單獨的元器件制造,因而增加了成本和印刷電路板尺寸。

eGaN 價格降低使芯片制造商能夠解決這兩個問題。例如,Texas Instruments 在其?LMG3411R070?的集成柵極驅動中集成了 70 毫歐姆 (mΩ)、600 伏 eGaN 功率級(圖 2)。

Texas Instruments 的 LMG3411R070 示意圖

圖 2:Texas Instruments 的 LMG3411R070 在其驅動器中集成了一個 70 mΩ、600 V 的 eGaN 功率級。(圖片來源:Texas Instruments)

該芯片的壓擺率可達 100 伏/納秒 (ns) 且瞬時振蕩近乎為零(圖 3)。相比之下,傳統硅功率 MOSFET 的壓擺率典型值為 3 至 10 V/ns。

TI 的 LMG3411R070 集成式 eGaN 功率級示意圖

圖 3:TI 的 LMG3411R070 集成式 eGaN 功率級表明,相比 MOSFET,eGaN 功率晶體管可以在瞬時振蕩最小的情況下實現更高的壓擺率。(圖片來源:Texas Instruments)

Navitas Semiconductor 制造了類似產品?NV6113。該產品在 5 x 6 毫米 (mm) QFN 封裝中集成了 300 mΩ、650 V 的 eGaN HEMT、柵極驅動器和相關邏輯電路。NV6113 的壓擺率可達 200 V/ns,工作頻率高達 2 兆赫茲 (MHz)。

TI 和 Navitas 的 GaN 功率級等器件可并行部署,用于常見的半橋拓撲結構(圖 4),同時還有一些產品在同一芯片上集成了兩個功率晶體管(及對應的柵極驅動器)。

Navitas NV6113 示意圖

圖 4:如圖所示,Navitas 的 NV6113 可并行部署,用于半橋拓撲結構。(圖片來源:Navitas Semiconductor)

例如,EPC 最近推出了?EPC2115,這款集成驅動器 IC,包含兩個 88 mΩ、150 V 的單片式 eGaN 功率晶體管,各配一個優化型柵極驅動器(圖 5)。EPC2115 采用低電感 2.9 x 1.1 mm BGA 封裝,最高可在 7 MHz 下運行。

EPC 的 eGaN 集成驅動器 IC 示意圖

圖 5:EPC 的 eGaN 集成驅動器 IC 包含兩個功率晶體管,各配有相應的優化型柵極驅動器。(圖片來源:EPC)

一般情況下,使用 eGaN HEMT 設計電源與使用硅 MOSFET 設計遵循相同的原理,但是工作頻率更高會影響外設元器件的選擇。

外設元器件的選擇

為了說明頻率對元器件選擇的影響,請考慮為實現簡單的 DC-DC SMPS 降低電壓(“降壓”)拓撲,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,進而抑制紋波電流,使其達到可由相對便宜的大容量電容器處理的水平,且不會產生過大的功率耗散。若要將大容量電容器的電流保持在可接受限值范圍內,根據經驗,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,因為它們只需極小的等效串聯電阻 (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:

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?是開關頻率(以 kHz 為單位)
  • VP(max)?是允許的最大峰-峰紋波電壓
  • IOUT?是穩態輸出負載電流
  • dc 是占空比(如上所述)
  • (引自參考文獻 1)

對于高端硅功率級,使用一些工作典型值計算可得出:

  • 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

對效率略有提高而其他工作條件類似的 eGaN 功率級(如工作頻率為 2 MHz 的 Navitas 器件)重復以上計算可得出:

  • 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 的快速關斷通常很有優勢,但也帶來了一些獨特的設計挑戰。其中最重要的就是造成過高的壓擺率。

控制壓擺率

較高的壓擺率 (dV/dt) 可能會引起以下問題:

  • 增加開關損耗
  • 輻射和傳導 EMI
  • 在與開關節點耦合的電路中,對其他器件造成干擾
  • 由于電源回路的電感和其他寄生元件,造成了開關節點的電壓過沖和瞬時振蕩

這些問題在啟動或硬開關條件下最為明顯。

使用 Navitas 產品時,一種簡單的解決方案是通過在 CVDD?電容器與 VDD?引腳之間添加電阻器來控制導通時的壓擺率(同樣見圖 4)。該電阻器 (RDD) 的大小決定了集成式柵極驅動器的導通電流和功率 FET 漏極的導通(下降)沿壓擺率(圖 6)。

Navitas Semiconductor 的 NV6113 導通電流示意圖

圖 6:RDD?電阻器的大小決定了 NV6113 導通電流和功率 FET 漏極的導通(下降)沿壓擺率。(圖片來源:Navitas Semiconductor)

只需將電阻器 (RDRV) 連接到功率晶體管源極,LMG3411 也支持壓擺率調節(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衡。開關速度更快,導致同時(且低效地)產生的大電流持續時間縮短,因此可降低功率損耗,但其他性能指標也隨之降低。根據經驗,最好是在確保 EMI、過沖和瞬時振蕩在規定范圍內的前提下,實現最快的開關速度。

第二個設計挑戰是因高頻工作引起過流事件的風險。

過流保護的重要性

設計具有更高開關頻率 SMPS 的關鍵優勢是縮小無源元器件的尺寸,進而增大整體功率密度。但缺點在于在發生過流事件時,高功率密度會增大受損的可能性。過流事件是 SMPS 經常存在的風險。此外,由于電源印刷電路板印制線的外部寄生電感,過高尖峰電流可能導致誤觸發。

雖然快速過流保護 (OCP) 對于使用傳統 MOSFET 的 SMPS 來說很重要,但對于 eGaN HEMT 來說卻更為重要,因為:

  • 在阻斷電壓和導通電阻相同的情況下,eGaN HEMT 的尺寸要小得多,因此在過流時就更難散熱;
  • eGaN HEMT 在線性區域內工作時,就必須檢測出過流,否則器件會迅速進入飽和狀態,從而導致功率耗散過大和器件受損。

一種傳統的 OCP 方法是使用電流互感器、分流電阻器或去飽和檢測電路(如下表)。然而,這會增大電源回路的寄生電感和電阻,反而需要降低壓擺率,且導致功率耗散升高,從而對系統性能產生不利影響。此外,互感器或分流電阻器等分立器件會增加成本,占用電路板空間。

另一種 OCP 方法是使用電流檢測元件、電平位移器(將信號發送給控制器)和檢測電路來檢測 GaN FET 的漏源電壓 (VDS)。這種方法的優勢在于不產生寄生電感和電阻,故不會影響電路性能,但精度不佳,主要是因為 GaN 的溫度系數較大。

第三種方法是選擇集成了 OCP 功能的集成式 eGaN 功率級。這克服了上述兩種方法的缺點。TI 的 LMG3411 就是一款具備此功能的產品。若檢測到過流,LMG3411 的保護電路可在 100 ns 內關斷 eGaN HEMT。若下一個周期時,PWM 輸入恢復為低電平,則輸出故障信號便會清除。這樣,下一個周期時 eGaN HEMT 就能正常導通,從而最大限度地減少輸出中斷。

OCP 方法 OCP 性能 系統影響 所需元器件 尺寸/成本
分流電阻器 + 低容差電阻器可提供良好的精度 - 電源回路電感值高,功率損耗大 - 檢測電阻、檢測電路、電平位移器 - 中/中
電流互感器 + 0.1% 線性度 - 電源回路電感值高,占空比高時無保護作用 - 電流互感器、檢測電路 - 大/高
VDS 檢測 - FET 的工藝變化,RDSON?溫度系數大 + 無 - 檢測電路、電平位移器 - 中/中
集成 OCP + 響應時間小于 100 ns + 無 - 電平位移器 + 無需外部元器件

表:GaN HEMT 功率級的 OCP 方法選擇匯總。對于不熟悉該技術的設計人員來說,選擇集成 OCP 的功率級是最簡單的解決方案。(圖片來源:Texas Instruments)

總結

隨著太陽能逆變器和服務器農場等應用對高能量密度 SMPS 的需求不斷增長,加之每個器件成本的降低,eGaN HEMT 成為更多電源設計的有吸引力選擇。雖然使用 eGaN HEMT 進行設計可能非常棘手,但隨著集成了柵極驅動器和功率晶體管的 eGaN HEMT 功率級的推出,SMPS 設計人員能更輕松地將該技術融入下一個高功率密度設計之中。

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