广告

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。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

Figure 1.png8HpEETC-电子工程专辑
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。8HpEETC-电子工程专辑

Figure 2.png8HpEETC-电子工程专辑
图2:储存在输出电容的能量。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

Figure 3.png8HpEETC-电子工程专辑
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。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

Figure 4.png8HpEETC-电子工程专辑
图4:非对称PWM flyback拓扑结构65W USB-PD适配器,功率密度为27W/in3。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

Figure 5.png8HpEETC-电子工程专辑
图5:具有同步整流的非对称PWM flyback。8HpEETC-电子工程专辑

Figure 6.png8HpEETC-电子工程专辑
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。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

Figure 7.jpg8HpEETC-电子工程专辑
图7:45W标准适配器,左图为正面,右图为底面。8HpEETC-电子工程专辑

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:8HpEETC-电子工程专辑

20181126-formula-1.PNG8HpEETC-电子工程专辑

 (1)8HpEETC-电子工程专辑

8HpEETC-电子工程专辑

20181126-formula-2.PNG8HpEETC-电子工程专辑

(2)8HpEETC-电子工程专辑

还有稳态电流:8HpEETC-电子工程专辑

20181126-formula-3.PNG8HpEETC-电子工程专辑

 (3)8HpEETC-电子工程专辑

Figure 8a.png8HpEETC-电子工程专辑
(a)8HpEETC-电子工程专辑

Figure 8b.png8HpEETC-电子工程专辑

(b)8HpEETC-电子工程专辑
Figure 8c.png8HpEETC-电子工程专辑
(c)8HpEETC-电子工程专辑

Figure 8d.png8HpEETC-电子工程专辑

(d)8HpEETC-电子工程专辑
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)。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

table 1.jpg8HpEETC-电子工程专辑
表1:栅极器件参数对切换损耗的影响。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

1.在snubber接脚、供应的Vcc辅助绕组接脚以及输出端串接bead。8HpEETC-电子工程专辑
2.在效率与辐射干扰之间适当调整Ron、Roff。8HpEETC-电子工程专辑
3.在漏极与源极间外加一电容Cext。8HpEETC-电子工程专辑
4.输入端加一common mode choke。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

Figure 9.png8HpEETC-电子工程专辑
图9:针对辐射干扰所采取的措施。8HpEETC-电子工程专辑

Figure 10.png8HpEETC-电子工程专辑
图10:采取了抗辐射干扰措施后的测试结果皆有足够裕量。8HpEETC-电子工程专辑

在传导干扰方面可以采取以下措施,如图11所示。8HpEETC-电子工程专辑

1.在V+与次级侧的地之间加一个Y电容330pf。8HpEETC-电子工程专辑
2.在初级侧的地与次级侧的地之间加一个Y电容330pf。8HpEETC-电子工程专辑
3.降低变压器的杂散电容如图13(b)所示。8HpEETC-电子工程专辑
4.将原本屏蔽绕组一条线30圈改为三线并绕10圈。8HpEETC-电子工程专辑
5.将屏蔽绕组连接至V+。8HpEETC-电子工程专辑

Figure 11a.png8HpEETC-电子工程专辑

Figure 11b.png8HpEETC-电子工程专辑

图11:针对传导干扰所采取的应对措施。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

Figure 12a.png8HpEETC-电子工程专辑

Figure 12b.png8HpEETC-电子工程专辑

图12:采取相应措施后传导干扰的结果。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

table 2.jpg8HpEETC-电子工程专辑
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。8HpEETC-电子工程专辑

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。8HpEETC-电子工程专辑

 本文将同步刊登于《电子工程专辑》12月刊杂志8HpEETC-电子工程专辑

qrcode_EETCwechat_120.jpg8HpEETC-电子工程专辑

关注最前沿的电子设计资讯,请关注“电子工程专辑微信公众号”8HpEETC-电子工程专辑

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
您可能感兴趣的文章
  • 怎样更好地为厨房家电增加触摸功能? 为了成功地从当今的方法过渡到先进的触摸屏技术,电器制造商需要与IC供应商,或者与和IC供应商合作的触摸屏或模块供应商协同工作,为电器应用专门设计触摸控制器。
  • 处理MOSFET非线性电容 电荷平衡技术最初是为能够产生超结(superjunction)MOSFET的高电压器件而开发的,现在该技术也扩展到更低的电压。虽然该技术大幅度降低了RDSON以及所有的连结电容,但它也使得后者更加非线性化。MOSFET中的有效存储电荷和能量确实减少了,并且是显著地减少了,但是,计算这些参数或比较不同的MOSFET以获得最佳性能,已经成为一项相当复杂的事情。
  • 毫米波人体扫描仪市场:过去、现在和未来 全身扫描仪已经成为全球安全与威胁检测工具包的重要组成部分。随着射频、微波和毫米波技术的不断发展进步,利用这种技术的全身扫描仪也变得流行起来。全身扫描解决方案的总体接受程度在很大程度上取决于其性能、设计和商业可行性。本文讨论了这些全身扫描仪的系统集成商如何做出正确的技术设计和合作伙伴选择,从而更自信地为这个快速增长的市场提供商业上可行的解决方案。
  • 利用本性、借力培育打造令人惊叹的AI SoC 将高级AI功能集成到SoC中经常会暴露SoC架构的软肋。 SoC的DNA(其“本性”)强壮程度依赖于其设计环境(其“培育”)所赋能。了解如何选择合适的工具和流程,特别是正确的IP,可以帮助你培育表现出色的AI SoC。探索Synopsys的 DesignWare IP,可助你实现令人惊艳的AI。
  • 检测并强化对非侵入式篡改的攻击 为硬化电源中的变压器防止磁篡改,一种选择是屏蔽变压器;但是,这只在一定程度上有效。第二种选择是选择足以应对预期的磁篡改攻击的具有完全磁免疫力或磁阻的变压器。对于不会吸收太多电流的系统,第三种选择是使用不带任何磁性元件的电容降电源。
  • RDIMM或LRDIMM适合你的设计吗? 下一代DDR5缓冲芯片呼之欲出,服务器和系统设计人员将很快将DDR5服务器双列直插存储器模块(DIMM)缓冲芯片组纳入其新设计中。但服务器/系统设计师可能在思考的问题是:在带寄存器的DIMM(RDIMM)或减负(load-reduced)DIMM(LRDIMM)间如何取舍?了解RDIMM和LRDIMM之间基本差异非常重要,因为这些差异如何有助于指导你正确使用DIMM进行设计。某些规范对于帮助你确定要使用的DIMM也至关重要。最后,了解一些关键设计注意事项是有帮助的,它们可作为选择正确DIMM类型的基础。
相关推荐
    广告
    近期热点
    广告
    广告
    广告
    可能感兴趣的话题
    广告