GaN如何“风驰”快充市场?

GaN为何这么火?如果再有人这么问你,最简单的回答即是:因为我们离不开电源,并且不断追求更好的电源系统。


当我们谈GaN时你在想什么?GaN前世今生详解,请查看以下内容

今天,基于GaN器件的快充已在消费电子市场站稳脚跟。

现在,我们把时间拨回到1928年。一天,Jonason等人合成了一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料,也就是GaN。恐怕当时他们怎么也想不到,在经历了将近一个世纪不温不火的状态后,今天,GaN这种新型的半导体材料彻底引爆了全球功率器件的革新。

在消费电子市场的成功说明了目前整个GaN行业的制造工艺和相关器件的性能得到了充分的验证。在全球进军工业4.0、中国新基建开启征程的时刻,5G、工业互联网、新能源车及充电桩、光伏电网及特高压、人工智能、云计算大数据中心等,每年要消耗的能源无疑是一个天文数字,市场急需更高效和更高密度的电源系统。因此,GaN从幕后站到了前台,如果说消费电子市场的成功只是小试牛刀,那么工业4.0,中国新基建将会是GaN的封神之路。

GaN为何这么火?究其原因还是在于功率密度的提升,在更小的空间内实现更大的功率,从而以更低的系统成本增强系统功能。提升功率密度的四个重要方面包括:降低损耗、最优拓扑和控制选择、通过机电元件集成来减小系统体积以及有效的散热。

所以本文主要针对这些方面,从GaN材料的优势、电源拓扑、功能集成、可靠性以及产品匹配与应用方面加以分析,告诉你GaN器件是如何在电源系统中掀翻传统Si器件的?

材料的优势

相对于Si MOSFET和IGBT器件,GaN器件提供了实质性的改进,包括快速开关时间、低导通电阻、较低的门极电容(例如,GaN的单位门极电荷小于1nC-Ω,而Si的单位门极电荷为4nC-Ω),这些特性可以实现更快的导通和关断,同时减少栅极驱动损耗。

“图1”
图1

GaN还提供了较低的单位输出电容(典型的GaN器件的单位输出电荷为5nC-Ω,而传统的Si器件为25nC-Ω),这使设计人员能够在不增加开关损耗的同时实现较高的开关频率,更高的开关频率意味着设计人员能够缩小电源系统中磁性元件的尺寸、重量和数量。

此外,更低的损耗等同于更高效的电源分布,这减少了发热并精简了电源的冷却方案。

电源拓扑

从GaN器件的特性和优势来说,最适合的应用大多是开关电源。而在设计开关模式电源时,主要考虑品质因素(FOM)包括成本、尺寸以及效率。但是这三者相互关联又相互掣肘,例如,增加开关频率可减小磁性元件的尺寸和成本,但会增加磁性元件的损耗和功率器件中的开关损耗。如何才能实现紧凑且高效的电源拓扑?下面以一个基于GaN器件的1kW AC/DC电源方案为例进一步说明。

“图2”
图2

AC/DC电源的目标是要把AC线路电源转化为较低电压,为手机或个人计算机等低压电气设备供电或充电,而这通常通过几个功率级实现。第一级是典型电源,包括供电AC线路电源,它通过功率因数校正(PFC)级产生高压DC母线;在第二级,该电压经由DC/DC转换器被转换为低压(一般是48V或12V)。这两级被称为交直流转换级。它们一般被部署在一起并提供保护设备和人员的隔离措施。第二级转换器输出的12V或48V电压,被分配给位于不同负载点(POL)的最终使用电路,例如设备柜内的不同电路板;第三级转换器存在一或多个直流转换器,可产生电子元件所需的低压。

那GaN是如何改进了PFC级、高压DC/DC转换器和POL级的功率密度?

PFC级使用高效率图腾柱拓扑,GaN的反向恢复损耗为零,因此非常适合图腾柱PFC拓扑。与传统的双升压技术相比,图腾柱将功率器件和电感器的数量减少了40%,从而实现独一无二的高功率密度、高效率和低功耗组合,而类似的基于Si的设计却无法做到这一点。与使用Si的传统二极管桥式升压PFC相比,使用GaN的PFC级的效率超过99%,功耗降低10W以上。

高压DC/DC级采用了高效的LLC谐振转换器。虽然在LLC转换器中使用Si是很普遍的,但是 GaN的优点在于把功率密度提高了50%,将开关频率提升了一个数量级。基于GaN的1-MHz LLC所要求的变压器尺寸比基于Si的100-kHz LLC的变压器要小六分之一。

POL级利用GaN的低功率损耗,可直接实现高效的48V到1V硬开关转换器。大多数Si解决方案需要额外的第四级将48V转换为12V,但GaN可实现真正的单级转换,直接转换为1V。通过这种方式,基于GaN的设计可将元件数量减少一半,并将功率密度提高三倍。虽然本示例我们仍然使用基于GaN的PFC、DC/DC和POL电路,但是它们的实施或使用的电源拓扑还是不同的,经过优化后的电源拓扑可更大程度发挥GaN的性能。

功能集成

同样是GaN器件,也会有设计难易之分,方案优劣之别。先来看两张图。一张是分立式GaN器件及其驱动电路,一张是集成了直接驱动的GaN电路。

“图3:分立式GaN器件及其驱动电路"
图3:分立式GaN器件及其驱动电路

“图4:直接驱动GaN器件电路"
图4:直接驱动GaN器件电路

表面即可得出的结论:直接驱动GaN器件可以减少PCB设计尺寸,减少外围电路元器件,降低设计难度。

那如何理解直接驱动GaN器件?

简而言之,就是将驱动与GaN器件集成到一个封装中,这样可以最大程度降低寄生电感、降低开关损耗并优化驱动控制。

那更深层的意义?

同样,以两个典型的基于GaN器件的电路对比:共源共栅驱动VS直接驱动的电路配置。

“图5”
图5

通过两者电路的对比分析,我们可以得出使用直接驱动GaN器件电路配置的优势:

1、更低的Coss,从而降低损耗,在更高开关频率下优势越明显;
2、没有反向恢复Qrr的损耗;
3、硬开关应用中的开关损耗更低;
4、可通过设置GaN的充电电流来控制开关速率;
5、更灵活的电路设计,在栅极环路中增加阻抗抑制寄生谐振,减少电源环路中的振荡,从而降低了GaN器件上的电压应力,并减少了硬开关期间的电磁干扰(EMI)问题。

不仅如此,直接驱动GaN电路在高频振荡的表现上也比共源共栅驱动好,下面的仿真波形是以功率器件的Coss和环路寄生电感为模型,对比了降压转换器中开关节点振荡的差异。

“”图6:硬开关操作导致过多高频振荡
图6:硬开关操作导致过多高频振荡

直接驱动配置具有受控的导通,且过冲很少。而共源共栅驱动由于较高的初始Coss、Qrr和较低的栅极环路阻抗而具有较大的振荡和硬开关损耗。

集成那么多功能?该如何控制封装的尺寸?在小尺寸的同时又如何保证优异的散热?这似乎是一个矛盾因果关系。

可靠性

众所周知,为开关电源设备提供保护电路非常重要,以防止由于直通、PWM信号丢失、短路或其它事件而导致的系统级故障。因为GaN是一种高速器件,所以一般情况下需要在外部设计高速的检测和保护电路。集成保护单元的GaN器件在这里就能提供无缝的操作和强大的保护,比如,TI的LMG3410系列GaN产品,保护响应时间不到100ns,重点是它不需要外部组件,在提高可靠性的同时大大降低设计难度。

“图7:集成保护单元的GaN器件硬件系统框图”
图7:集成保护单元的GaN器件硬件系统框图

产品匹配与应用

从GaN相比传统Si的优势,又到直接驱动GaN电路相比分立式GaN电路的优势,无不反应半导体界的一个普遍定律,越集成越强大。既然直接驱动GaN有这么强势的优势?那是否有相关的产品上市了呢?

其实细心的读者应该已经发现,在上文中笔者已经透露出了一些直接驱动GaN器件的信息,也就是TI最新推出的LMG3410系列产品。

“图8"
图8

TI LMG3410系列GaN器件集成驱动器可实现>100V/ns的开关速度,与分立的GaN FET相比,损耗降了一半。结合TI的低电感封装,可以在每种电源应用中提供干净的开关技术和更小的振荡。其它功能包括可调节的EMI控制驱动强度,强大的过流保护和过热保护功能,可优化BOM成本、PCB尺寸和面积。

除了驱动和保护单元的集成,LMG3410系列GaN器件的可靠性也得到充分得验证,具有超过 3,000万小时的器件可靠性测试,10年内FIT率低于1。除了固有的可靠性测试外,TI同样在实际应用中对GaN进行了最苛刻的硬开关应力测试,并可靠地转换了超过3GWHrs的能量。

另一方面,LMG3410系列GaN器件利用了TI现有的工艺技术,提供了一些固有的供应链并降低了成本。与在SiC或蓝宝石等非Si衬底上构建的其它技术不同,TI的GaN-on-silicon工艺利用TI 100%内部设备进行制造,组装和测试,从而利用内部资源持续改善产品质量。

除了LMG3410系列GaN器件本身的优异性,更重要的是TI实行“授人以鱼不如授人以渔”的方针,提供了全面的GaN器件解决方案,并且不断在更新&开发新应用领域方案,所以你拿到的不仅仅是一个器件,更是一站式的全套服务。

写在最后

GaN的应用可以说是无处不在,文中提到的AC/DC电源只不过是GaN器件应用的冰山一角,我们可以在想得到的任何需要提升效率和功率密度的场景下使用GaN解决方案。比如在电机控制领域,GaN可以提高PWM频率并降低开关损耗,这有助于驱动极低电感的永久磁性和无刷直流电机,这些特性还使转矩波动更小化,从而在伺服驱动器和步进器中实现精确定位,支持高速电机在无人机等应用中实现高电压;在LiDAR应用中,GaN的低输入和高电容特性,使LiDAR以更短脉冲实现了更高的峰值输出光功率,这在提高成像分辨率的同时保护了眼睛的安全;在高保真音响应用中,GaN能在高压摆率下高效开关,并且开关行为可预测性较高,极大减少了谐波失真,实现了更理想的音响性能,将噪音限制在更高的不可听的频带内。

以上案例无一不在说明GaN正在改变行业,从电路的本质来说,要使用GaN技术不是简单的加减法,不是换个器件而已,但是,在选择方案时如果选择像LMG3410这种提供现成GaN全套解决方案的,那使用GaN就如同换颗已经验证过的代替料那么简单。现在,无需质疑GaN的种种优势,它正在向更多的电源应用领域渗透,而工业4.0和新基建将会成为GaN的封神之路。

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