氮化鎵技術(shù)如何應(yīng)用在適配器和充電器領(lǐng)域？

1 簡(jiǎn)介

寬帶隙功率半導(dǎo)體的商業(yè)可用性及其明顯更好的品質(zhì)因數(shù)對(duì)許多客戶提出了一些基本問題：基于這些寬帶隙器件的系統(tǒng)解決方案在功率密度和效率方面有多好？基于硅的解決方案在多大程度上可能會(huì)使用更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制技術(shù)去實(shí)現(xiàn)同樣的性能？

本文試圖為兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，即適配器和緊湊型充電器提供這些問題的答案。

作為橫向功率器件的 GaN HEMT 與其相應(yīng)的硅器件相比具有低一個(gè)數(shù)量級(jí)的柵極電荷和輸出電荷。結(jié)合幾乎為零的反向恢復(fù)電荷，它可以實(shí)現(xiàn)反向?qū)ㄆ骷挠矒Q向。因此，GaN 支持更簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及優(yōu)化的控制方法在軟開關(guān)和（部分）硬開關(guān)之間無縫切換。盡管低壓和中壓等級(jí)的硅基功率器件的硬換向是可以接受的，但對(duì)于技術(shù)突出的 600V 超級(jí)結(jié)器件，可防止由于損耗和電壓過沖而導(dǎo)致的任何此類操作。AC- DC 應(yīng)用的設(shè)計(jì)者有三種選擇為使用寬帶隙器件做下一個(gè)最佳替代方案：?jiǎn)味送負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如升壓轉(zhuǎn)換器作為功率因數(shù)校正級(jí)，在圖騰柱 PFC 中通過相應(yīng)的控制方法（如三角電流模式(TCM)操作）嚴(yán)格避免硬換向，或使用輸入串聯(lián)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，其中電壓應(yīng)力分布到幾個(gè)串聯(lián)連接的轉(zhuǎn)換器級(jí)上。

雖然單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能不符合效率目標(biāo)，但雙升壓等替代解決方案可能無法滿足空間或成本目標(biāo)。盡管輸入串聯(lián)解決方案已證明其能夠達(dá)到效率和密度目標(biāo)[1]，但控制方法仍然具有挑戰(zhàn)性，并且可能僅限于將此概念用于高功率部分。

當(dāng)試圖克服 65W 適配器的 20W/in3密度目標(biāo)時(shí)，緊湊型充電器的設(shè)計(jì)選擇明顯縮小。在大多數(shù)或所有操作條件下需要回收漏電感中的能量并提供零電壓開關(guān)，排除了許多單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇。

本文探討了 GaN HEMT 與僅次之的硅替代品相比的價(jià)值。

2 器件原理及概念

由于GaN HEMT與其硅對(duì)應(yīng)器件之間存在競(jìng)爭(zhēng)，超級(jí)結(jié)器件顯然是最佳選擇，讓我們首先簡(jiǎn)要回顧一下最新的技術(shù)成就。 超級(jí)結(jié)器件已推出十多年，導(dǎo)通電阻越來越低[2]，并因此降低了器件寄生電容使器件本身具有更快的開關(guān) 速度。圖 1 顯示了三代后續(xù)超級(jí)結(jié)晶體管與增強(qiáng)型 GaN HEMT 的輸出電容特性的對(duì)比。圖 2 顯示了存儲(chǔ)在 輸出電容中的能量。

即使 GaN 的輸出電容在低電壓范圍內(nèi)顯著降低，存儲(chǔ)在輸出電容中的能量也相當(dāng)接近超級(jí)結(jié)器件所實(shí)現(xiàn) 的能量值。由于這種能量在每個(gè)開關(guān)周期硬開關(guān)瞬變期間耗散為熱量，因此從該圖中已經(jīng)明顯看出 GaN 的 真實(shí)值將在基于半橋的電路中并且將限于單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。 圖 3 顯示了作為軟開關(guān)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵參數(shù)之一的存儲(chǔ)在輸出電容中的電荷比較。

在單端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，損耗將由EOSS參數(shù)控制，而在基于半橋的電路中，存儲(chǔ)在輸出電容[3]中的電荷和反向恢復(fù)電荷控制著損耗。雖然超級(jí) 結(jié)器件針對(duì)極低的EOSS品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，但GaN HEMT提供了更有利的QOSS品質(zhì)因數(shù)，第一代產(chǎn)品已經(jīng)比同類硅產(chǎn)品好一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3 應(yīng)用實(shí)例

寬電壓輸入手機(jī)充電器 為了定量評(píng)估寬帶隙功率器件提供的性能改進(jìn)，我們針對(duì)各種應(yīng)用執(zhí)行了多目標(biāo)優(yōu)化。這種方法允許我們 考慮轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的所有可用自由度，例如各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、變換器的交錯(cuò)、開關(guān)頻率和半導(dǎo)體使用，以及 每種潛在設(shè)計(jì)效率和功率密度的結(jié)果。這樣的分析揭示了包含所有帕累托最優(yōu)設(shè)計(jì)的包絡(luò)函數(shù)，并允許評(píng) 估整個(gè)應(yīng)用的效率和密度之間的權(quán)衡[4]。

3.1 非對(duì)稱反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

動(dòng)電子設(shè)備（如筆記本電腦、手機(jī)、平板電腦、電子書閱讀器和智能手表）的日益普及導(dǎo)致了各種不同的 充電器類型。為了減少電子浪費(fèi)并簡(jiǎn)化用戶體驗(yàn)，對(duì)具有高效率和高功率密度的通用適配器的需求已變得 明顯。為此，推出了 USB-PD 標(biāo)準(zhǔn)，支持各種輸出電壓（5V 至 20V），功率水平高達(dá) 65W。 為了確定最適合高密度 USB-PD 適配器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，已經(jīng)通過多目標(biāo)優(yōu)化評(píng)估了幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選項(xiàng)?？紤] 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：具有次級(jí)側(cè)功率脈動(dòng)緩沖器的 PFC 反激式、具有固定（高）輸出電壓的反激式轉(zhuǎn)換器和 后續(xù)降壓轉(zhuǎn)換器、具有寬輸出電壓范圍的反激式轉(zhuǎn)換器、級(jí)聯(lián)非對(duì)稱 PWM 反激式轉(zhuǎn)換器，其中初級(jí)側(cè)由兩 個(gè)級(jí)聯(lián)半橋組成，以及非對(duì)稱 PWM 反激式轉(zhuǎn)換器。優(yōu)化結(jié)果如圖 4 所示，對(duì)應(yīng)于在最壞情況輸入電壓(Vin = 90V)和最高輸出電流(Iout = 4A)下的滿載運(yùn)行。此外，還顯示了熱限制線，其限定了給定功率密度所需的 最小效率，以便將適配器的表面溫度保持在 70°C 以下。只有在該線以上的設(shè)計(jì)具有被動(dòng)地消散所產(chǎn)生的熱 量（即自然對(duì)流和輻射）而不超過殼體的熱限制所需的必要效率。這清楚地表明，最高功率密度的目標(biāo)不 可避免地與最高轉(zhuǎn)換效率相關(guān)聯(lián)，這強(qiáng)調(diào)了綜合的多目標(biāo)優(yōu)化方法的必要性。

優(yōu)化結(jié)果表明，非對(duì)稱反激（見圖5）是高度緊湊型充電器的最佳選擇，因?yàn)樗哂凶罡叩男?。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有利用磁化電流實(shí)現(xiàn)的初級(jí)側(cè) 半橋ZVS，以及同步整流開關(guān)的ZCS，為最高轉(zhuǎn)換效率奠定了基礎(chǔ)。轉(zhuǎn)換器在初級(jí)半橋低邊開關(guān)的固定導(dǎo)通時(shí)間（由諧振頻率決定）和高 邊開關(guān)的變化導(dǎo)通時(shí)間（取決于輸出電壓[5]）下工作。這導(dǎo)致變化的開關(guān)頻率。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，開發(fā)出了采用500V/140mΩ MOSFET的65W原型機(jī)（見圖6）[6]。它支持USBPD，具有從5V/3A至20V/3.25A的不同輸出電壓曲線。根據(jù)輸入和輸出電壓，工作頻率在100kHz至220kHz之間變化。該原型機(jī)實(shí) 現(xiàn)了94.8%的最大效率，而Vin = 90V時(shí)的最低滿載效率為93%，如圖9所示。

3.2 運(yùn)行方式

非對(duì)稱PWM反激式轉(zhuǎn)換器的操作可以通過使用如圖7所示的四個(gè)階段來解釋：

• 階段1：能量?jī)?chǔ)存階段

• 階段2：死區(qū)時(shí)間1

• 階段3：能量轉(zhuǎn)移階段

• 階段4：死區(qū)時(shí)間2

在第一階段期間，高邊開關(guān)接通，低邊開關(guān)斷開。變壓器電流增加，諧振電容器Cr充電。次級(jí)二極管不導(dǎo)通。沒有能量傳遞到次級(jí)側(cè)。

階段2： 在此階段，兩個(gè)開關(guān)都關(guān)閉。變壓器中的電流將迫使半橋中點(diǎn)下降，直到下部MOSFET的體二極管鉗位電壓。

階段3： 在所謂的能量傳遞階段期間，低邊開關(guān)在ZVS條件下接通。高邊開關(guān)保持關(guān)閉狀態(tài)。變壓器中的電壓反轉(zhuǎn)；因此，次級(jí)二極管開始導(dǎo)通。存 儲(chǔ)在變壓器和諧振電容器中的能量被傳遞到輸出端。次級(jí)側(cè)電流是正弦的，諧振頻率由諧振電容和變壓器的漏電感定義。為了降低次級(jí)側(cè)的 導(dǎo)通損耗，使用同步整流MOSFET。

階段4： 在最后階段，兩個(gè)晶體管再次關(guān)閉。變壓器中的電流現(xiàn)在將迫使半橋中點(diǎn)增加其電壓。這將導(dǎo)致在ZVS條件下打開高邊開關(guān)。 在標(biāo)準(zhǔn)反激式轉(zhuǎn)換器或有源鉗位反激式轉(zhuǎn)換器中，變壓器始終必須存儲(chǔ)所有需要的能量。由于所需的輸入電壓范圍，這可能導(dǎo)致變壓器尺寸 沒有得到優(yōu)化。 在非對(duì)稱反激式轉(zhuǎn)換器中，能量存儲(chǔ)以及從初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)的能量傳輸在諧振電容器和變壓器之間共享。因此，可以顯著減小變壓器的尺寸。 如圖8所示，變壓器和諧振電容器的傳輸能量取決于輸入電壓。輸入電壓越高，從變壓器傳輸?shù)捷敵龆说哪芰吭蕉唷?/p>

為了將功率密度推至更高水平，GaN HEMT的使用成為強(qiáng)制需要，因?yàn)樗鼈兪沟棉D(zhuǎn)換器的效率增加，并因此不再有熱限制。GaN的第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是大大減少了QOSS電荷，這使 得ZVS具有更低的磁化電流。因此，可以減少開關(guān)以及變壓器中的導(dǎo)通損耗。此外，由于較低的柵極電荷，柵極驅(qū)動(dòng)損耗降低。最后但同樣重要的是，在ZVS期間與開關(guān)的COSS電容充電/放電相關(guān)的損耗在GaN HEMT中也低于超級(jí)結(jié)MOSFET [7]。因此，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)，整個(gè)系統(tǒng)的效率可以在滿載時(shí)增加約0.4%，如圖9所示。

4 總結(jié)

所提出的諧振半橋反激式轉(zhuǎn)換器已確定為適用于高效和緊湊型 USB-PD 適配器最有前景的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該概 念一方面提供了由于初級(jí)和次級(jí)開關(guān)的 ZVS 和 ZCS 切換而非常有效的操作，另一方面通過調(diào)節(jié)占空比可 以容易地控制輸出電壓。 進(jìn)行的應(yīng)用研究表明了增強(qiáng)型 GaN HEMT 在適配器和充電器應(yīng)用中的明顯價(jià)值。GaN HEMT 同時(shí)推動(dòng)了 效率和密度到新的前沿。 對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用，GaN 可為 65W USB-PD 適配器提供迄今無法實(shí)現(xiàn)的超過 20W/in3的小外形尺寸。