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用GaN设计可靠的高密度功率解决方案-第一部分

大家好,我叫 Paul Brohlin, 是德州仪器 (TI) 的 GaN 电源开发工程师。 本次课程分为两个部分, 我将探讨 如何利用 TI 的 GaN 功率级 设计可靠的高密度电源 解决方案。 在第一部分, 我会介绍 GaN 在 电源性能方面的优势 以及 TI 在 GaN 功率级中 集成驱动器和 保护功能 的益处。 在这个分成两个部分的讲解中, 我会说明 GaN 相较于硅超结 MOSFET 的 优势, 以及 TI 集成功率级 相较于分立式 GaN 器件的 优势,还会 通过一些示例应用 展示 GaN 的 性能优势。 本课程中提及的 TI GaN 器件是 LMG3410 和 3411 系列 600V GaN 功率级 和 LMG5200 80V GaN 半桥功率级。 如今,GaN 可以帮助 设计人员提高 电源密度,使之达到 超结 MOSFET 可实现的 电源密度的两倍。 TI 的 LMG3410 和 LMG5200 功率级已开始大规模生产。 这些器件可在 价格持平的情况下 提高您的电源密度。 由于开关频率要 高于 MOSFET 支持的 开关频率, 因此我的 滤波器组件 中所需电源的 尺寸和成本都会得到削减。 GaN 功率 FET 的 开关损耗更低, 因此还可以减少 系统冷却组件 并削减电源的 尺寸和成本。 我们来看一下 它的工作原理。 GaN 的优势 可以体现在许多不同的电源 拓扑中。 下面的三个示例说明了 GaN 如何提高电源 密度。 第一个示例是 1.6 千瓦的 CRM PFC。 CRM PFC 是一个零电压 的开关转换器, 它可以消除开关损耗。 GaN FET 的输出电容很低, 因此转换器 可以在更高的 开关频率下运行。 在本例中,转换器 使用了 1 兆赫兹的 峰值开关频率,因此 减小了电感器的尺寸。 该电源的开关 网络密度为 每立方英寸 250 瓦。 第二个示例是开关频率 也为 1 兆赫兹的 千瓦 LLC 转换器。 在这个设计中, 与典型的硅超结 MOSFET LLC 转换器 相比,变压器的 尺寸小得多,且其 开关网络功率 密度达到了每立方 英寸 140 瓦。 最后一个示例是 48V 10A 100KHz 三相 电机驱动逆变器。 这个电机驱动 逆变器的开关 速度是典型 逆变器的六倍, 还具有非常 高效的功率级, 而且不带散热器, 因此体积更小、成本更低。 与硅超结 MOSFET 相比, GaN 具有几个重要 优势,可以帮助 电源设计人员 提高电源的 功率密度。 首先,栅极电荷 仅为同等 超结 MOSFET 的 四分之一。 这样,在设计 使用高开关 频率的转换器时,就能 减小栅极驱动 损耗。 其次,GaN 的 输出电荷 大约是超结 MOSFET 的五分之一。 这样就减小了 CCM PFC 等 硬开关转换器 的损耗。它还减小了 CRM PFC 和 LLC 等 软开关转换器 中的循环电流。 减小循环电流 可以减小 电源器件和 磁体中的 损耗。 这样,转换器就 可以在更高的频率开关, 因此提高了转换器 的功率密度。 GaN 每个单位面积的 电阻更小。 这减少了功率 FET 的 导通损耗。 第四,GaN 没有 任何 PN 结, 因此不会出现任何 反向恢复损耗。 由于无需进行 反向恢复,GaN 可以 在硬开关图腾柱拓扑 中高效地 开关。 GaN 的这一属性 允许使用新的拓扑, 这是超结 MOSFET 做不到的。 图腾柱 CCM PFC 等 拓扑可实现 99% 的效率以及 两倍的功率密度, 同时降低组件成本。 德州仪器 (TI) 是 唯一一个 将 GaN 驱动器 和保护功能 与 GaN 功率 FET 集成的 GaN 制造商。 这个经过优化的集成式 GaN 驱动器可以高效、可靠地 驱动 GaN 功率 FET。 R 驱动盘控制着 开关压摆率, 可以帮助电源 设计人员 优化 AMI 的性能。 集成的过流 保护功能 可以为 GaN 功率 晶体管提供保护, 而且不会导致 功率回路 电阻或电感增大。 将驱动器和 保护功能集成到 功率级可以剔除 很多分立式组件, 这些组件不但会 导致成本增加,还会 在电源的 PCB 区域多占用 400 多平方毫米的空间。 TI 集成了栅极 驱动器和偏置电源, 因此提高了 GaN FET 的 开关性能和可靠性。 所有 GaN FET 都必须 由正确的栅极电压驱动, 才能可靠地运行并 实现良好的开关性能。 正如 MTTF 与 VGS 的比较图所示,平均故障时间 是栅极电压的 一个函数。 如果 GaN 器件由 过高的电压驱动, 其使用寿命 将会缩短。 如果 GaN 器件由 过低的电压驱动, GaN 的开关 性能和导通性能将会 下降。 LMG3410 的偏置电源 可提供正确的栅极 电压,以优化开关性能 和 GaN FET 可靠性。 LMG3410 将驱动器 集成到 GaN 封装中, 可最大限度减小 驱动器与 GaN FET 之间的 寄生电感。 这些寄生电感 会为电源设计人员 带来很多挑战。 共源电感 LS 会 在打开和关闭期间 降低漏极电流 压摆率, 因此会导致开关损耗增大。 驱动器与由 L1 到 L6 组成的 GaN FET 之间的 栅极回路电感 会导致驱动器 与 GaN FET 之间的 阻抗增大。 这一阻抗会导致 驱动器在高压摆率 开关期间保持 GaN 关闭的能力下降。 为了防止在开关 期间击穿, 必须降低 压摆率,但这样 会导致开关损耗增大。 栅极回路电感还会 导致栅极振铃。 这样会造成 GaN 栅极上的 电压应力上升, 进而引致器件的可靠性下降。 将驱动器 集成到封装中 可以最大限度减小 寄生电感, 以优化开关性能 和 GaN FET 可靠性。 此示波器图 展示了 LMG3410 近乎理想的 开关性能。 在 CCM 图腾柱 PFC 电源中, LMG3410 在电压为 400V 时以每纳秒 102V 的压摆率 开关 4A 的电流。 此图显示了一个 非常平稳的开关波形, 而且几乎没有任何 过冲或振铃。 高压摆率开关 可减小开关损耗。 没有任何振铃的平稳波形 可降低 EMI。 必须在电源中 实施过流保护 以保护 GaN FET。 LMG3410 集成了 过流保护功能, 可提供快速、 可靠的保护。 最常见的分立式 过流保护电路 是电阻式分流器, 同时使用一个高速比较器 来检测 GaN 漏极电流。 与 LMG3410 的集成式 过流保护功能相比, 这个电路会对系统 产生很多 影响。 为了保护高频 电源中的 GaN, 过流保护 需要极快的速度, 且其响应时间 应当小于 100 纳秒。 当以串联方式 对增益电源器件 实施电阻式分流器时, 需要使用一个 低功耗电阻器降低 所增加的导通损耗。 低值分流器的 信噪比非常低, 因此很难提供快速、 精确的过流 保护。 增加电阻式 分流器还会 导致功率回路 电感增大。 开关期间 这个增大的电感会 导致 GaN 漏极振铃。 为了限制振铃,必须 降低压摆率, 但这样会致使 开关损耗增大。 在本例中可以看到, 在分流器过流 保护电路中增加了 233 平方毫米的 PCB 面积,导致功率 回路电感增大了 1.2nH, 在这种情况下,必须将 电感的开关转换 速率降到 每纳秒 80V, 以限制过冲。 电阻式分流器和 增大的开关损耗 会导致 1.2 千瓦 PFC 电源 的损耗增加 0.9 瓦。 188

大家好,我叫 Paul Brohlin,

是德州仪器 (TI) 的 GaN 电源开发工程师。

本次课程分为两个部分, 我将探讨

如何利用 TI 的 GaN 功率级 设计可靠的高密度电源

解决方案。

在第一部分, 我会介绍 GaN 在

电源性能方面的优势 以及 TI 在 GaN 功率级中

集成驱动器和 保护功能

的益处。

在这个分成两个部分的讲解中, 我会说明

GaN 相较于硅超结 MOSFET 的 优势,

以及 TI 集成功率级 相较于分立式 GaN 器件的

优势,还会 通过一些示例应用

展示 GaN 的

性能优势。

本课程中提及的 TI GaN 器件是

LMG3410 和 3411 系列 600V GaN 功率级

和 LMG5200 80V GaN 半桥功率级。

如今,GaN 可以帮助 设计人员提高

电源密度,使之达到 超结 MOSFET 可实现的

电源密度的两倍。

TI 的 LMG3410 和 LMG5200 功率级已开始大规模生产。

这些器件可在 价格持平的情况下

提高您的电源密度。

由于开关频率要 高于 MOSFET 支持的

开关频率, 因此我的

滤波器组件 中所需电源的

尺寸和成本都会得到削减。

GaN 功率 FET 的 开关损耗更低,

因此还可以减少 系统冷却组件

并削减电源的 尺寸和成本。

我们来看一下 它的工作原理。

GaN 的优势 可以体现在许多不同的电源

拓扑中。

下面的三个示例说明了 GaN 如何提高电源

密度。

第一个示例是 1.6 千瓦的 CRM PFC。

CRM PFC 是一个零电压 的开关转换器,

它可以消除开关损耗。

GaN FET 的输出电容很低, 因此转换器

可以在更高的 开关频率下运行。

在本例中,转换器 使用了 1 兆赫兹的

峰值开关频率,因此 减小了电感器的尺寸。

该电源的开关 网络密度为

每立方英寸 250 瓦。

第二个示例是开关频率 也为 1 兆赫兹的

千瓦 LLC 转换器。

在这个设计中, 与典型的硅超结

MOSFET LLC 转换器 相比,变压器的

尺寸小得多,且其 开关网络功率

密度达到了每立方 英寸 140 瓦。

最后一个示例是 48V 10A 100KHz 三相

电机驱动逆变器。

这个电机驱动 逆变器的开关

速度是典型 逆变器的六倍,

还具有非常 高效的功率级,

而且不带散热器, 因此体积更小、成本更低。

与硅超结 MOSFET 相比, GaN 具有几个重要

优势,可以帮助 电源设计人员

提高电源的 功率密度。

首先,栅极电荷 仅为同等

超结 MOSFET 的 四分之一。

这样,在设计 使用高开关

频率的转换器时,就能 减小栅极驱动

损耗。

其次,GaN 的 输出电荷

大约是超结 MOSFET 的五分之一。

这样就减小了 CCM PFC 等 硬开关转换器

的损耗。它还减小了 CRM PFC 和 LLC 等

软开关转换器 中的循环电流。

减小循环电流 可以减小

电源器件和 磁体中的

损耗。

这样,转换器就 可以在更高的频率开关,

因此提高了转换器 的功率密度。

GaN 每个单位面积的 电阻更小。

这减少了功率 FET 的 导通损耗。

第四,GaN 没有 任何 PN 结,

因此不会出现任何 反向恢复损耗。

由于无需进行 反向恢复,GaN 可以

在硬开关图腾柱拓扑 中高效地

开关。

GaN 的这一属性 允许使用新的拓扑,

这是超结 MOSFET 做不到的。

图腾柱 CCM PFC 等 拓扑可实现

99% 的效率以及 两倍的功率密度,

同时降低组件成本。

德州仪器 (TI) 是 唯一一个

将 GaN 驱动器 和保护功能

与 GaN 功率 FET 集成的

GaN 制造商。

这个经过优化的集成式 GaN 驱动器可以高效、可靠地

驱动 GaN 功率 FET。

R 驱动盘控制着 开关压摆率,

可以帮助电源 设计人员

优化 AMI 的性能。

集成的过流 保护功能

可以为 GaN 功率 晶体管提供保护,

而且不会导致 功率回路

电阻或电感增大。

将驱动器和 保护功能集成到

功率级可以剔除 很多分立式组件,

这些组件不但会 导致成本增加,还会

在电源的 PCB 区域多占用 400 多平方毫米的空间。

TI 集成了栅极 驱动器和偏置电源,

因此提高了 GaN FET 的 开关性能和可靠性。

所有 GaN FET 都必须 由正确的栅极电压驱动,

才能可靠地运行并 实现良好的开关性能。

正如 MTTF 与 VGS 的比较图所示,平均故障时间

是栅极电压的 一个函数。

如果 GaN 器件由 过高的电压驱动,

其使用寿命 将会缩短。

如果 GaN 器件由 过低的电压驱动,

GaN 的开关 性能和导通性能将会

下降。

LMG3410 的偏置电源 可提供正确的栅极

电压,以优化开关性能 和 GaN FET

可靠性。

LMG3410 将驱动器 集成到 GaN 封装中,

可最大限度减小 驱动器与 GaN FET 之间的

寄生电感。

这些寄生电感 会为电源设计人员

带来很多挑战。

共源电感 LS 会 在打开和关闭期间

降低漏极电流 压摆率,

因此会导致开关损耗增大。

驱动器与由 L1 到 L6 组成的 GaN FET 之间的

栅极回路电感 会导致驱动器

与 GaN FET 之间的 阻抗增大。

这一阻抗会导致 驱动器在高压摆率

开关期间保持 GaN 关闭的能力下降。

为了防止在开关 期间击穿,

必须降低 压摆率,但这样

会导致开关损耗增大。

栅极回路电感还会 导致栅极振铃。

这样会造成 GaN 栅极上的 电压应力上升,

进而引致器件的可靠性下降。

将驱动器 集成到封装中

可以最大限度减小 寄生电感,

以优化开关性能 和 GaN FET

可靠性。

此示波器图 展示了

LMG3410 近乎理想的 开关性能。

在 CCM 图腾柱 PFC 电源中,

LMG3410 在电压为 400V 时以每纳秒

102V 的压摆率 开关 4A 的电流。

此图显示了一个 非常平稳的开关波形,

而且几乎没有任何 过冲或振铃。

高压摆率开关 可减小开关损耗。

没有任何振铃的平稳波形 可降低 EMI。

必须在电源中 实施过流保护

以保护 GaN FET。

LMG3410 集成了 过流保护功能,

可提供快速、 可靠的保护。

最常见的分立式 过流保护电路

是电阻式分流器, 同时使用一个高速比较器

来检测 GaN 漏极电流。

与 LMG3410 的集成式 过流保护功能相比,

这个电路会对系统 产生很多

影响。

为了保护高频 电源中的 GaN,

过流保护 需要极快的速度,

且其响应时间 应当小于 100 纳秒。

当以串联方式 对增益电源器件

实施电阻式分流器时, 需要使用一个

低功耗电阻器降低 所增加的导通损耗。

低值分流器的 信噪比非常低,

因此很难提供快速、 精确的过流

保护。

增加电阻式 分流器还会

导致功率回路 电感增大。

开关期间 这个增大的电感会

导致 GaN 漏极振铃。

为了限制振铃,必须 降低压摆率,

但这样会致使 开关损耗增大。

在本例中可以看到, 在分流器过流

保护电路中增加了 233 平方毫米的

PCB 面积,导致功率 回路电感增大了 1.2nH,

在这种情况下,必须将 电感的开关转换

速率降到 每纳秒 80V,

以限制过冲。

电阻式分流器和 增大的开关损耗

会导致 1.2 千瓦 PFC 电源 的损耗增加 0.9 瓦。 188

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用GaN设计可靠的高密度功率解决方案-第一部分

所属课程:TI HVI系列培训 发布时间:2018.04.11 视频集数:26 本节视频时长:00:09:21

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