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氮化镓晶体管在电源适配器上的应用

时间:2018-11-28 作者:萧义州、张哲睿、林锦宏,英飞凌科技 阅读:
由于宽禁带功率器件的优异性能表现,近几年来开始被业界采用,并逐渐商业化。用户对新器件常见的问题是:究竟宽禁带器件对系统的功率密度和效率的提升有多大的帮助?与之前的硅器件相比,所需要付出的成本会有多大?本文将以电源适配器的应用为案例,来回答这些问题。

 由于宽禁带功率器件的优异性能表现,近几年来开始被业界采用,并逐渐商业化。用户对新器件常见的问题是:究竟宽禁带器件对系统的功率密度和效率的提升有多大的帮助?与之前的硅器件相比,所需要付出的成本会有多大?本文将以电源适配器的应用为案例,来回答这些问题。

与硅功率器件相比,氮化镓(GaN)晶体管是横向结构的功率器件,其具有小于1/10等级以下的栅极电荷与输出电荷,并且没有反向恢复电流的问题。因此,适合在高功率密度的65W电源适配器中使用,并且在所有负载范围工作条件下,都能够实现零电压切换。

器件特性

当氮化镓晶体管与硅功率器件相比较时,超结(Superjunction)器件显然时最佳的选择。从目前的技术来看,超结器件已经问世将近20年,已经经过了多个世代的演进,可以同时达到低导通电阻,以及低杂散电容,所以器件可以快速切换。图1表示了不同三个世代的超结器件与增强型模式氮化镓晶体管的输出电容特性,图2显示的是存储在输出电容的能量Eoss。

Figure 1.png
图1:超结器件与增强型模式氮化镓晶体管的输出电容特性。

Figure 2.png
图2:储存在输出电容的能量。

即使氮化镓晶体管的输出电容在低压时具有较小的值,但是实际储存在输出电容的能量值却相当接近于超结器件。这个能量在硬切换的每一个周期,会被以热量的形式耗散掉,氮化镓的真正价值是在于软切换应用,因为其具有零反向恢复损耗的特性。如图3所示,可以明显看出氮化镓晶体管的Qoss比超结器件还小了1/10以下。

Figure 3.png
图3:Qoss相对电压的比较,左图为增强型模式氮化镓晶体管,右图为超结器件。

应用范例

这里使用一个以非对称PWM反激式(flyback)拓扑的65W适配器为测试平台。

如图4所示,非对称PWM flyback拓扑的原理,是利用励磁电流来帮助初级侧切换开关零电压切换,以及次级侧同步整流开关零电流切换,以达到最高的切换效率。初级侧低端开关的导通时间固定,由谐振频率决定,高端开关的导通时间则是由输出电压所决定,所以切换频率是变化的,电路架构如图5所示。

Figure 4.png
图4:非对称PWM flyback拓扑结构65W USB-PD适配器,功率密度为27W/in3。

这个适配器支持USB-PD功能,提供多组不同输出电压,从5V/3A到20V/3.25A,工作频率范围为100kHz~220kHz,取决于输入与输出电压,并且搭配使用500V/140mΩ的超结器件,最高效率可达94.8%,当Vin为90V时,满载效率则为93%,效率曲线如图6所示。

Figure 5.png
图5:具有同步整流的非对称PWM flyback。

Figure 6.png
图6:红色曲线为超结器件500V/140mΩ在不同输入电压的满载效率,蓝色曲线为氮化镓组件600V/190mΩ在不同输入电压的满载效率,输出电压为20V。

为了提高功率密度,氮化镓器件的使用时必须的,随着转换器效率的提升,所产生的热量也会相对减少,这是由于氮化镓器件的Qoss大为降低,能够以较低的励磁电流来达到零电压切换,因此,器件和变压器的导通损耗也可以被降低。此外,较低的栅极电荷降低了驱动损耗,还有氮化镓器件的Coss比超结器件更低,当在做零电压切换时,Coss的充放电所造成的切换损耗也可以被降低。整体来说,对于系统效率在满载及整个输入电压范围可以提高约0.4%,如图6所示。

除了效率提升之外,氮化镓器件在传导干扰与辐射干扰上,也有不错的表现。例如,一个QR Flyback拓扑的45W标准适配器,输出电压19V、输出电流为2.37A,平均效率为88%以上,如图7所示。

Figure 7.jpg
图7:45W标准适配器,左图为正面,右图为底面。

一般栅极驱动线路如图8(a)所示,栅极导通与关断瞬间的正与负电流:

20181126-formula-1.PNG

 (1)

20181126-formula-2.PNG

(2)

还有稳态电流:

20181126-formula-3.PNG

 (3)

Figure 8a.png
(a)

Figure 8b.png

(b)
Figure 8c.png
(c)

Figure 8d.png

(d)
图8:栅极驱动线路(a)、简化后的驱动线路(b)、栅极电荷特性(c)、栅极电流(d)。

在图8(b)中,Ion是由Ron所决定,而稳态电流则是取决于RSS。图中的VN消失了,其实是VN并不需要,因为Con会将栅极驱动位准做一位移而形成负值。栅极线路器件参数的大小对于切换损耗的影响整理于表1,其中,Ess:steady-state gate current losses、Esw:switching losses、Ebd:reverse conduction losses。

table 1.jpg
表1:栅极器件参数对切换损耗的影响。

在辐射干扰方面可以采取以下措施来减少干扰,如图9所示。

1.在snubber接脚、供应的Vcc辅助绕组接脚以及输出端串接bead。
2.在效率与辐射干扰之间适当调整Ron、Roff。
3.在漏极与源极间外加一电容Cext。
4.输入端加一common mode choke。

此外,原本的屏蔽铝壳可以拿掉,只要将初级侧插头的地与次级侧的地做连接即可。另外,测试的时候,电源线的摆放方式也会影响实际的测量结果,电源线不要与地板相接触,以避免耦合到地端噪声。

Figure 9.png
图9:针对辐射干扰所采取的措施。

Figure 10.png
图10:采取了抗辐射干扰措施后的测试结果皆有足够裕量。

在传导干扰方面可以采取以下措施,如图11所示。

1.在V+与次级侧的地之间加一个Y电容330pf。
2.在初级侧的地与次级侧的地之间加一个Y电容330pf。
3.降低变压器的杂散电容如图13(b)所示。
4.将原本屏蔽绕组一条线30圈改为三线并绕10圈。
5.将屏蔽绕组连接至V+。

Figure 11a.png

Figure 11b.png

图11:针对传导干扰所采取的应对措施。

加上应对措施后,在230V AC输入的line跟neutral的传导干扰结果都能够有足够的裕量空间,如图12所示。

Figure 12a.png

Figure 12b.png

图12:采取相应措施后传导干扰的结果。

此外,在加了抗辐射与传导干扰措施之后的氮化镓晶体管与超结器件在115V AC与230V AC的平均效率比较如表2所示,由此结果可知,氮化镓晶体管的效率表现在硬切换的应用与超结器件相近,这是因为两者之间的Eoss数值相近所造成的结果。

table 2.jpg
表2:氮化镓晶体管与超结器件在115V AC与230V AC的平均效率比较。

结论

本文介绍了氮化镓材料器件的特性,并且列举两个氮化镓晶体管在适配器上的应用范例。根据实际的测试结果,当应用于硬切换拓扑时,氮化镓晶体管在传导干扰与辐射干扰方面都可以符合设计规范,另外也具有相近于超结器件的效率表现,相对地,当应用于软切换拓扑时,氮化镓晶体管则是比超结器件具有较高的效率。

 本文将同步刊登于《电子工程专辑》12月刊杂志

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