用GaN设计可靠的高密度功率解决方案-第二部分

欢迎参加有关 使用 TI GaN 功率级

设计可靠、高密度 电源解决方案的

第二节培训课程。

在本节课程中，我将 展示一些电源示例，

在这些示例中，TI 的 GaN 功率级可提高

电源密度和性能。

第一个应用是 交流/直流电源。

该应用包含 功率因数校正

或 PFC、转换器 后跟 LLC 转换器。

该拓扑在服务器、 电信和许多需要

交流线路提供 100 瓦 以上功率的工业应用中

非常典型。

PFC 电路控制输入 电流波形为正弦波

和端点相位， 采用交流电压。

该电源可以针对 给定的输出功率

最大程度地减小输入 交流电流并降低交流

线路上的谐波。

PFC 电源通常 设计为具有

85 伏交流至 265 伏交流的

通用输入电压范围。

这样一个设计可以在世界上的 大都数国家/地区中正常工作。

PFC 以升压操作 方式工作，可以

调节输入电流的 正弦波形，并且

通常具有 400 伏 直流输出电压。

需要使用 LLC 转换器 将 PFC 提供的 400 伏

电压降低至可以使用的 输出电压，该电压通常为

12、24 或 48 伏。

它还提供与 输入交流线路的

安全隔离。

在这两个应用中 都可以使用 GaN

功率 FET 来提高 电源密度和效率。

图腾柱 PFC 包含 两个 600 伏 GaN

功率 FET 和一个 用于高频 PWM

开关的半桥 配置、两个用于

线路频率 整流的低

RDS(on) 硅 MOSFET 以及 一个功率电感器。

LLC 转换器包含 两个采用图腾柱

配置的 600 伏 功率 FET，一个

包含隔离变压器 串联电感、LR 和

串联电容器的 串联谐振 LC

振荡电路，CR，以及一个 可以是 GaN 或硅 FET 的

低电压同步整流器。

在这里，我要比较 两款高效 CCM PFC

转换器，以展示 GaN FET 相对于硅 FET 的优势。

正如先前提到的， 超结 MOSFET 无法

在图腾柱配置下进行开关， 这通常会导致很高的反向

恢复损耗。

利用超结 MOSFET 的 电源通常使用

碳化硅二极管 作为整流器，

因为碳化硅二极管 具有低反向恢复。

在超结 MOSFET 中使用时，

双升压 PFC 配置

通常用于 高频应用。

在右侧，图腾柱 PFC 转换器由 GaN

FET 启用。

通过对比这两款转换器， 可以发现，

两个 GaN FET 替代了两个

超结 MOSFET 和两个 碳化硅二极管。

该转换器还具有 一个转换器，

而不是双升压 PFC 中的两个电感器。

通过查看两个 PFC 转换器之间的

损耗，可以发现 GaN 图腾柱 PFC 具有比双升压更低的传导

和开关损耗。

GaN 图腾柱 PFC 可以 将功率器件中的

损耗降低 36%。

功率器件和 图腾柱 PFC 中

电感器中的损耗降低 可以将功率密度增大

3 倍，并且具有与 双升压超结 MOSFET PFC

同等的解决方案成本。

GaN 还可以 增大临界

导通模式或 CrM PFC 转换器的功率密度。

CrM PFC 具有与 CCM PFC 相同的图腾柱

配置，但具有 经修改的开关

控制，用于在零伏时对 GaN 功率 FET 进行开关。

零伏开关可以 消除开关损耗，

并允许转换器 在更高的频率下

运行。

在该设计中，转换器 以 1 兆赫兹的频率

进行开关，并且 仍保持高效率。

更高的频率可以 减小 EMI 滤波器中

电感器的尺寸。

该设计是具有 每立方英寸 250 瓦

功率密度的 两相交错 1.6

千瓦 PFC 转换器。

GaN 还可以增大 LLC 转换器的功率密度。

正如您在右侧的 图中看到的，

GaN FET 的更低输出 电容可以减少

对开关节点 进行放电所需的

死区时间，并且 可以增加向输出

提供电流的时间。

这进而允许 使用具有更高

磁化电感的 隔离变压器，

从而降低变压器 和 GaN 功率 FET 中的

环流。

该更低的电流 可以降低 GaN FET

和变压器中的 传导损耗，

并且可以降低变压器 间隙中的边缘损耗。

在以高频率 进行开关时，

GaN FET 中的更低 栅极电荷可以

降低栅极驱动损耗。

GAN 更低的输出 电荷和栅极电荷

使 LLC 转换器 能够适应更高的

开关频率，从而 减小变压器尺寸，

以增大高频率下的 功率密度。

该 LLC 转换器使用 TI 的 LMG3410-R070

以 1 兆赫兹的频率将 400 伏直流 电压转换为 48 伏直流电压。

该 LLC 转换器使用 集成了串行谐振

电感器和输出整流器的 变压器进行了优化，可实现

每立方英寸 140 瓦的功率

密度以及 高于 97% 的效率。

该效率图展示了 LLC 转换器中 GaN

相对于超结 MOSFET 的改进。

两款电源设计都 经过优化，能够以

1 兆赫兹的频率运行。

GaN 的更低寄生 电容提高了

整个负载 范围上的效率。

GaN 还可以提高 电机驱动器的性能。

GaN 的更低开关 损耗可以提高

电机驱动 逆变器的效率。

这能够降低冷却 需求，并且在某些

情况下无需散热器。

TI GaN 功率级的 干净开关波形

可以减小电机 上的相位振铃。

这样无需缓冲器 即可降低 EMI。

GaN 以高频率 开关的功能

使逆变器可以 驱动低电感电机。

更高的频率可以 降低相电流纹波，

从而实现高 精度并降低

扭矩纹波。

更高的开关 频率还使逆变器

能够驱动高速 电机驱动器，

这些驱动器具有 1 至 2 千赫的全速电气频率，

而典型的电机 驱动器仅为 60 赫兹。

GaN 以高压摆率 进行开关的功能

和短死区时间 可以降低相电压

失真并提高电机 驱动器的 THD 性能。

此处是一个 使用 TI 的 LMG5200

半桥 GaN 功率级设计的 48 伏 10 安的电机驱动器。

LMG5200 是具有 集成驱动器

和自举电源的 80 伏 10 安半桥

GaN 功率级。

该逆变器具有 12 至 60 伏的输入电压

范围，能够以 100kHz 的 开关频率为电机提供

400 瓦的功率。

效率为 98.5%，允许在 不使用散热器的

情况下运行。

它具有每立方英寸 500 瓦的功率级密度。

此处是一幅热像图，其中 显示了在不使用散热器的

情况下以 400 瓦的功率 运行的 48 伏电机驱动逆变器。

在不使用散热器的 情况下，最大负载

下的 GaN 结温 为 106 摄氏度。

总之，GaN 实现了当今的 新一代功率转换设计，

这些设计在 以前是不可能

实现的。

GaN 将从交流到 负载点的功率

密度提高了 3 倍。

采用低电感封装的 GaN FET、驱动器和

保护集成可以为快速 且可靠的开关提供

最佳解决方案。

有关产品、设计 和培训材料，

请访问 TI.com/GaN。

谢谢。 170

欢迎参加有关 使用 TI GaN 功率级

设计可靠、高密度 电源解决方案的

第二节培训课程。

在本节课程中，我将 展示一些电源示例，

在这些示例中，TI 的 GaN 功率级可提高

电源密度和性能。

第一个应用是 交流/直流电源。

该应用包含 功率因数校正

或 PFC、转换器 后跟 LLC 转换器。

该拓扑在服务器、 电信和许多需要

交流线路提供 100 瓦 以上功率的工业应用中

非常典型。

PFC 电路控制输入 电流波形为正弦波

和端点相位， 采用交流电压。

该电源可以针对 给定的输出功率

最大程度地减小输入 交流电流并降低交流

线路上的谐波。

PFC 电源通常 设计为具有

85 伏交流至 265 伏交流的

通用输入电压范围。

这样一个设计可以在世界上的 大都数国家/地区中正常工作。

PFC 以升压操作 方式工作，可以

调节输入电流的 正弦波形，并且

通常具有 400 伏 直流输出电压。

需要使用 LLC 转换器 将 PFC 提供的 400 伏

电压降低至可以使用的 输出电压，该电压通常为

12、24 或 48 伏。

它还提供与 输入交流线路的

安全隔离。

在这两个应用中 都可以使用 GaN

功率 FET 来提高 电源密度和效率。

图腾柱 PFC 包含 两个 600 伏 GaN

功率 FET 和一个 用于高频 PWM

开关的半桥 配置、两个用于

线路频率 整流的低

RDS(on) 硅 MOSFET 以及 一个功率电感器。

LLC 转换器包含 两个采用图腾柱

配置的 600 伏 功率 FET，一个

包含隔离变压器 串联电感、LR 和

串联电容器的 串联谐振 LC

振荡电路，CR，以及一个 可以是 GaN 或硅 FET 的

低电压同步整流器。

在这里，我要比较 两款高效 CCM PFC

转换器，以展示 GaN FET 相对于硅 FET 的优势。

正如先前提到的， 超结 MOSFET 无法

在图腾柱配置下进行开关， 这通常会导致很高的反向

恢复损耗。

利用超结 MOSFET 的 电源通常使用

碳化硅二极管 作为整流器，

因为碳化硅二极管 具有低反向恢复。

在超结 MOSFET 中使用时，

双升压 PFC 配置

通常用于 高频应用。

在右侧，图腾柱 PFC 转换器由 GaN

FET 启用。

通过对比这两款转换器， 可以发现，

两个 GaN FET 替代了两个

超结 MOSFET 和两个 碳化硅二极管。

该转换器还具有 一个转换器，

而不是双升压 PFC 中的两个电感器。

通过查看两个 PFC 转换器之间的

损耗，可以发现 GaN 图腾柱 PFC 具有比双升压更低的传导

和开关损耗。

GaN 图腾柱 PFC 可以 将功率器件中的

损耗降低 36%。

功率器件和 图腾柱 PFC 中

电感器中的损耗降低 可以将功率密度增大

3 倍，并且具有与 双升压超结 MOSFET PFC

同等的解决方案成本。

GaN 还可以 增大临界

导通模式或 CrM PFC 转换器的功率密度。

CrM PFC 具有与 CCM PFC 相同的图腾柱

配置，但具有 经修改的开关

控制，用于在零伏时对 GaN 功率 FET 进行开关。

零伏开关可以 消除开关损耗，

并允许转换器 在更高的频率下

运行。

在该设计中，转换器 以 1 兆赫兹的频率

进行开关，并且 仍保持高效率。

更高的频率可以 减小 EMI 滤波器中

电感器的尺寸。

该设计是具有 每立方英寸 250 瓦

功率密度的 两相交错 1.6

千瓦 PFC 转换器。

GaN 还可以增大 LLC 转换器的功率密度。

正如您在右侧的 图中看到的，

GaN FET 的更低输出 电容可以减少

对开关节点 进行放电所需的

死区时间，并且 可以增加向输出

提供电流的时间。

这进而允许 使用具有更高

磁化电感的 隔离变压器，

从而降低变压器 和 GaN 功率 FET 中的

环流。

该更低的电流 可以降低 GaN FET

和变压器中的 传导损耗，

并且可以降低变压器 间隙中的边缘损耗。

在以高频率 进行开关时，

GaN FET 中的更低 栅极电荷可以

降低栅极驱动损耗。

GAN 更低的输出 电荷和栅极电荷

使 LLC 转换器 能够适应更高的

开关频率，从而 减小变压器尺寸，

以增大高频率下的 功率密度。

该 LLC 转换器使用 TI 的 LMG3410-R070

以 1 兆赫兹的频率将 400 伏直流 电压转换为 48 伏直流电压。

该 LLC 转换器使用 集成了串行谐振

电感器和输出整流器的 变压器进行了优化，可实现

每立方英寸 140 瓦的功率

密度以及 高于 97% 的效率。

该效率图展示了 LLC 转换器中 GaN

相对于超结 MOSFET 的改进。

两款电源设计都 经过优化，能够以

1 兆赫兹的频率运行。

GaN 的更低寄生 电容提高了

整个负载 范围上的效率。

GaN 还可以提高 电机驱动器的性能。

GaN 的更低开关 损耗可以提高

电机驱动 逆变器的效率。

这能够降低冷却 需求，并且在某些

情况下无需散热器。

TI GaN 功率级的 干净开关波形

可以减小电机 上的相位振铃。

这样无需缓冲器 即可降低 EMI。

GaN 以高频率 开关的功能

使逆变器可以 驱动低电感电机。

更高的频率可以 降低相电流纹波，

从而实现高 精度并降低

扭矩纹波。

更高的开关 频率还使逆变器

能够驱动高速 电机驱动器，

这些驱动器具有 1 至 2 千赫的全速电气频率，

而典型的电机 驱动器仅为 60 赫兹。

GaN 以高压摆率 进行开关的功能

和短死区时间 可以降低相电压

失真并提高电机 驱动器的 THD 性能。

此处是一个 使用 TI 的 LMG5200

半桥 GaN 功率级设计的 48 伏 10 安的电机驱动器。

LMG5200 是具有 集成驱动器

和自举电源的 80 伏 10 安半桥

GaN 功率级。

该逆变器具有 12 至 60 伏的输入电压

范围，能够以 100kHz 的 开关频率为电机提供

400 瓦的功率。

效率为 98.5%，允许在 不使用散热器的

情况下运行。

它具有每立方英寸 500 瓦的功率级密度。

此处是一幅热像图，其中 显示了在不使用散热器的

情况下以 400 瓦的功率 运行的 48 伏电机驱动逆变器。

在不使用散热器的 情况下，最大负载

下的 GaN 结温 为 106 摄氏度。

总之，GaN 实现了当今的 新一代功率转换设计，

这些设计在 以前是不可能

实现的。

GaN 将从交流到 负载点的功率

密度提高了 3 倍。

采用低电感封装的 GaN FET、驱动器和

保护集成可以为快速 且可靠的开关提供

最佳解决方案。

有关产品、设计 和培训材料，

请访问 TI.com/GaN。

谢谢。 170