GaN晶体管替代硅晶体管,实现效率更高、温度更低、尺寸更小的电源

日期:2019-09-03


阎金光先生

日前,深耕于高压集成电路高能效电源转换领域的知名公司Power Integrations公司(PI)在北京举办新品媒体沟通会,资深技术培训经理阎金光(JASON YAN)先生介绍了前不久发布的InnoSwitch™3系列恒压/恒流离线反激式开关电源IC的新成员。新IC可在整个负载范围内提供95%的高效率,并且在密闭适配器内不使用散热片的情况下可提供100 W的功率输出。这一突破性的性能提升源自内部开发的高压氮化镓开关技术。

让GaN更具实用性
阎金光指出,随着电子产品的更新换代,一些应用对尺寸和效率有了更高的要求,流入非原装USB PD适配器、高端手机充电器和其他移动设备、笔记本适配器、尺寸或效率有要求的产品、家电/电视机/服务器待机电源、一体机电脑/视频游戏机等,这些应用所要求的特点已受益于Power Integrations公司InnoSwitch的产品特性,但需要更高的输出功率。
经过十余年的研发,人们逐渐认识到先进的氮化镓(GaN)技术可大幅提高功率和效率,GaN晶体管技术是功率变换领域的未来。GaN晶体管优于硅晶体管,可以让电源的效率更高、温度更低、尺寸更小,实现更高的输出功率,即大功率电源的无散热片设计。


Power Integrations的InnoSwitch™GaN

而今,Power Integrations公司率先让GaN更具实用性,利用PowiGaN开关技术扩展InnoSwitch™3 IC(CE/CP/Pro)产品系列实现了100 W以上的输出功率。此前,在高达65 W的应用当中使用硅晶体管的InnoSwitch3非常有效,采用PowiGaN开关后可以提供更大的输出功率,单位面积的导通电阻更小,开关损耗较低。3个产品系列中InnoSwitch3-CP为恒功率,InnoSwitch3-EP适合敞开式应用,而InnoSwitch3-Pro可以实现数字控制。
阎金光说,PI的策略是将PowiGaN器件封装在其IC内部,并对其开关工作提供可靠的保护,工程师可以看到它显著的性能优势,但开关方式的其他方面的变化并不明显。由于PI已将驱动集成在芯片当中,设计起来非常简单,有效解决了可靠性不高、驱动难做的问题。

用GaN增加芯片的效率和输出功率
阎金光接着介绍了采用GaN获得的好处。InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP和InnoSwitch3-Pro IC均采用准谐振模式,在一个表面贴装封装内集成了初级电路、次级电路和反馈电路。在新发布的系列器件中,GaN开关替换了IC初级的常规高压硅晶体管,这可以降低电流流动期间的传导损耗,并极大降低工作时的开关损耗。这最终有助于大幅降低电源的能耗,从而提高效率,使体积更小的InSOP-24D封装提供更大的输出功率。
他说,新IC无需外围元件即可提供精确的恒压/恒流/恒功率,并轻松与接快充协议接口IC协同工作,因此适用于高效率反激式电路拓扑结构,例如,移动设备、机顶盒、显示器、家电、网络设备和游戏机的USB-PD和大电流充电器/适配器。InnoSwitch3-CP和InnoSwitch3-EP的电源特性可以通过改变硬件参数的方式进行配置,而InnoSwitch-Pro集成先进的数字接口,可通过软件实现对恒压和恒流的设置点、异常处理以及安全模式选项的控制。
新IC保证了产品使用的一致性、连贯性及易于使用特性,无论采用硅晶体管的还是采用PowiGaN开关的InnoSwitch3 IC均使用相同的开关电源设计流程、相同的开关频率,可根据输出功率的不同选取相应的外部电路元件,开关波形也极为相似,无异常的电路特性表现及增加特别的设计考量,包括EMI标准技术考量,ESD与硅器件相比没有差别。
 

简单的电路

GaN增加了InnoSwitch3的效率和输出功率,且耐压更高;GaN开关极大地降低了损耗,MOSFET的输出电容在其开通时通过其本身进行放电。由于寄生电容的大小与MOSFET的大小成比例,且更大的MOSFET意味着更多的开关损耗,而更低的导通电阻意味着更低的导通损耗。


GaN增加了InnoSwitch3的效率和输出功率

他告诉记者,基于PowiGaN的InnoSwitch-3设计可实现95%的满载效率,因此在适配器设计中可省去散热片,例如DER-747(65 W、20 V适配器)的满载效率在230 VAC下为95%,在115 VAC下为94%。
PowiGaN的高效率还可提高60 W USB PD电源在各种负载下的性能,在各种负载下的高效率性能与标准InnoSwitch3方案一致,适合于大功率USB PD应用。其在115 VAC下的平均效率为92.5%,在230 VAC下则为93.3%。


USB PD电源在各种负载下的性能

据介绍,Power Integrations全新的InnoSwitch 3 IC现已开始供货,其生产工艺由PI开发和维护,与已经拥有的合作伙伴协同工作,具有业内先进的GaN认证过程。PI网站还提供了五款新的参考设计,均为输出功率介于60 W到100 W的USB-PD充电器,此外还提供了自动化设计工具PI Expert™以及其他技术支持文档。
阎金光最后表示,在实现高效率和小尺寸方面,氮化镓是一项明显优于硅技术的关键技术。他预计众多电源应用会从硅晶体管快速转换为氮化镓。自从该公司在18个月之前推出硅技术新器件以来,InnoSwitch3已成为离线开关电源IC市场当之无愧的技术先行者,随着其反激式产品在效率和功率能力的提高,新的氮化镓IC进一步巩固了PI的优势地位。

高效LED照明也少不了GaN
阎金光还介绍了利用PowiGaN™开关技术扩展的LYTSwitch™-6 IC产品系列,实现大于100 W的输出功率。该系列特别适合于有体积效率要求的应用,如高度具有要求的天花LED灯具驱动、高/低舱顶灯灯具、LED路灯驱动、工业用12 V或24 V恒压输出应用。


传统LED驱动器方案


LYTSwitch-6高效LED驱动器简化不少

他说,设计举例 – 使用HiperPFS-4和内部集成PowiGaN开关的LYTSwitch-6可以实现两级照明镇流器应用,也可以用基于PowiGaN开关LYTSwitch-6参考设计可实现90%的系统效率(包含前级升压 PFC电路)。
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