GaN改變充電器設計

氮化鎵 (GaN) 開關技術推動了充電器和適配器的小型化。與使用等效硅器件的電路相比，它允許開發(fā)可以在高開關頻率下運行的轉換器。GaN 減小了變壓器尺寸，提供了顯著提高系統(tǒng)效率的解決方案，減少或消除了對散熱器的需求。通過使用基于 GaN 的晶體管和 IC，設計人員一直在生產小型充電器。Power Integrations 一直處于 GaN 革命的前沿，為許多客戶批量提供完整的電源解決方案。本文探討了 GaN 器件的功能，并討論了應對該技術帶來的挑戰(zhàn)的策略。

電源架構的變化

十多年前，一 (1) 立方英寸充電器成為低功率反激式充電器的標志性產品。該技術在效率限制允許的范圍內推動了信封的大小，并且是當時最好的。任何反激式設計中的電源開關都會造成功率損耗、每次開關轉換期間的功耗和導通。開關損耗和傳導損耗成反比。隨著開關芯片面積的增加以降低 RDS(ON)（傳導損耗），開關損耗會增加。不同的硅晶體管技術——超級結、垂直和橫向——都在競相減少器件中的綜合損耗。然而，GaN 通過從根本上降低開關損耗和傳導損耗，顯著提高了充電器和適配器的開關效率。

圖 1：GaN 技術（以紅色顯示）能夠降低在離線反激電壓（開關額定值 600 – 750 V）下運行的電源開關的總開關損耗

GaN 開關的引入帶來的開關效率變化也極大地減少了熱挑戰(zhàn)，從而導致充電器進一步小型化。圖 2 顯示了這些變化的摘要，其中比較了傳統(tǒng)和以前的高效適配器與 Power Integrations 的 Innoswitch? AC-DC 轉換器 IC（包括使用 GaN 電源開關的最新系列成員）供電的適配器的性能。

圖 2：隨著電源開關效率的提高，能量損失（熱量）減少。熱量的減少意味著將熱量從設備中傳導出去所需的表面積也減少了。表面積的減少意味著電源受熱限制的體積（電源必須具有的最小尺寸才能處理產生的熱量）也減少。有趣的是，最高效率設計也是通過準諧振反激電源在 70 kHz 的平均開關頻率下運行來實現(xiàn)的。
熱限制體積 ∝ ((1-efficiency)/6) 3/2?

GaN 開關的效率階躍變化于 2018 年首次出現(xiàn)在充電器和適配器中，并導致充電器/適配器占用空間的顯著減少和與圖 2 中描述的非常接近的體積比。圖 3 顯示了最新的 GaN充電器，它使用 Power Integrations 的 PowiGaN? GaN 晶體管技術，與突破性的 2008 設計和使用最佳可用硅開關技術的高性能設計相比。

圖 3：GaN 技術的引入極大地減小了電源充電器的尺寸。開關頻率保持相似，拓撲結構有些相似——但功率開關技術的改進和顯著的集成顯著提高了性能。

應對GaN的挑戰(zhàn)

GaN 器件重塑了功率密度思維。最成功的電源設計利用提高的開關效率來減小轉換器尺寸。驅動 GaN 器件給設計人員帶來了挑戰(zhàn)，必須在實際設計中克服這些挑戰(zhàn)。GaN 器件的開關速度非?？?。柵極和源極連接之間的寄生電容以及柵極阱和漏極襯底之間的柵極-漏極電容（米勒電容）非常?。ù蠹s幾個 nC），這確保了快速開關轉換，從而導致低開關損失。

為了在關閉 GaN 器件的同時避免誤觸發(fā)，分立電流檢測電路，插入一個接近（并且在某些情況下超過?。〨aN 開關導通電阻的串聯(lián)阻抗。電阻對于確保保護電路的準確短路檢測和快速環(huán)路響應是必要的。在力求最大效率的設計中，這是一個缺點；因此，工程師們轉向將 SenseFET 構建到 GaN 器件結構中的集成無損電流感測電路。

圖 4：分立 GaN 電路中對電流檢測電阻器的要求是一個挑戰(zhàn)。為了引起快速的環(huán)路響應，必須增加電阻以產生足夠的電壓降，從而為電流檢測電路提供強偏置。在上面的簡化示意圖中，電阻值是由實際參考設計規(guī)定的值。

如果不加以調節(jié)，快速開關轉換將在電路中產生嚴重的噪聲問題。走線電感和開關電容的組合會在開關事件期間引起高頻振鈴，從而導致電路運行出現(xiàn)噪聲問題。對于 GaN 開關，它是通過結合布局和 GaN 集成來減小開關環(huán)路（和次級整流器環(huán)路，在變壓器中表現(xiàn)為“額外”漏電感）的尺寸來降低寄生電感。圖 5 顯示了在 GaN 開關電路中有助于振鈴的電路元件。

圖 5：在過渡期間有助于切換振蕩的元素。請注意變壓器匝數(shù)比放大的次級跡線電感對初級漏電感的貢獻

除了控制環(huán)路電感外，還必須考慮適當調整柵極驅動電路的大小、電源開關的大小和柵極電荷特性。為了減少交叉損耗（柵極電壓和電流），需要柵極轉換。降低 EMI 變化率受到柵極電阻和驅動源/灌電流的限制，這應該與 GaN 器件匹配。圖 6 比較了 GaN 和 Si 從適當大小的柵極驅動器切換的轉換速率。

圖 6：使用相同變壓器和布局方法的類似設計的 Si 關斷與 GaN 關斷的比較。請注意 GaN 器件更明確的關斷特性，可以快速克服米勒電容和相關的柵極電荷來關斷器件。

驅動功率 FET 時還需要考慮其他幾個方面。啟動時如何控制常開GaN結構；將與硅開關中過量漏極電壓相關的擊穿和雪崩與 GaN 器件中更穩(wěn)健的參數(shù)偏移現(xiàn)象進行比較；開關頻率的優(yōu)化以及變壓器尺寸與較小的受熱限制體積的權衡；可編程電源轉換和 USB PD 和 PPS 對電路效率施加的限制。每一篇都是單獨的一篇文章。

審核編輯：劉清