GaN的功率与演变——第5部分

日期:2020-02-19

 
6部分系列之第5部分
作者:Alex Lidow,EPC首席执行官兼共同创始人
 
在这一系列中,讨论了硅基氮化镓(GaN)低压功率器件优越的开关速度如何实现了许多新的应用?这些新的应用正在改变行业,如自动车辆的光探测和测距(LiDAR)、4G和5G通信的包络跟踪,以及家庭和办公室的大面积无线电源
除了有助于这些新应用的性能,氮化镓器件的增长还导致了强大的供应链的发展,降低了生产成本(通过提高良率和产量),以及令人羡慕的可靠性记录。所有这些用GaN一起完成的基础工作为较为保守的设计工程师提供了充分的激励,帮助他们在更多主流应用中创建电源系统设计,如DC–DC转换、AC/DC转换和汽车配电,以开始他们的评估过程。作为对氮化镓器件性能贡献的一个例子,我们将研究传统的硅应用,即12 V – 1 V负载点(POL)DC/DC转换器。
 
满足耗电量大的移动计算需求
消费者希望他们的移动设备能够执行不断增长的耗电任务。这些性能要求,再加上对小、轻外形和延长电池寿命的相互矛盾的要求,意味着对配电系统不断增长的要求。换句话说,高性能的负载点(POL)DC-DC转换器(电源引擎)需要设计成小尺寸,同时高效率。

图1:移动产品的POL需求为高性能、超小型和低成本的GaN设备提供了完美的平台。
 
减小核心电力电子器件的尺寸和降低功耗对于满足这些需求至关重要。增加功率晶体管的开关频率是减小尺寸的一条已知途径。如今,基于氮化镓的功率器件有助于消除实现更高变频器频率的障碍,并将推动下一代移动计算。
 
通过集成在不牺牲转换器效率的情况下提高速度
提高频率是一种行之有效的减小尺寸的方法。对于移动系统来说,同样重要的是实现高效的解决方案,这是延长电池寿命的关键。单芯片集成可以显著提高转换器的效率,如配备eGaN FET和IC的集成。
寄生电感是实现高频高效运行的关键。寄生电感已经证明可能降低开关速度[1],从而增加系统功率损耗。通过将两个eGaN功率晶体管集成到一个器件中,互连电感和印刷电路板上所需的间隙大大减小甚至消除。
 

图2:EPC2111 30V单片半桥,带有导通电阻19 m ohm(Q1)和8 m ohm(Q2)。
 
集成的第二个优点是能够优化片芯尺寸和控制FET和同步整流器的形状。集成有助于减小控制FET(Q1)的尺寸,以减少开关相关损耗,并使用更大的同步整流器(Q2)以减少传导损耗。它还允许创建“长而薄”的控制FET(见图2),以减少功率回路电感。EPC2111(图2)是一个单片eGaN半桥集成电路,适用于高降压负载点转换器,其中控制FET(Q1)大约是同步整流器(Q2)大小的四分之一。每个FET 能够在微小的5.25平方毫米的面积内承载16 A的连续电流。EPC2111的占位面积几乎是同类硅MOSFET的七分之一,与等效硅器件相比,它的转换速度更快,寄生电容更低。结果是,即使在非常高的开关频率(10 MHz)下,开关损耗最低,它使这种氮化镓器件成为POL应用的理想选择。
 
1000 W/in3电源模块——EPC9204 DrGaNPLUS
最小、最具成本效益和最高效率的非隔离式12 V至1.0 V POL转换器,适用于高性能计算、数字加密货币和电信应用,可通过使用单片eGaN® IC半桥(如EPC2111)来实现。
使用EPC2111的应用演示是EPC9204 DrGaNPLUS模块(如图3所示)。它是一个同步降压转换器,功率密度为1000 W/in3,能够提供12A。
 

 
图3:EPC9204开发板的功率密度为1000 W/in3,仅基于组件高度,在12V输入下工作时,12A负载下为1V。
EPC9204电源模块的方块图如图4所示,采用EPC2111 eGaN单片半桥配置为同步降压拓扑结构。EPC9204电源模块如图3所示,还采用了来自pSemi公司的PE29102半桥栅极驱动IC、输入和输出滤波器,以及电流和温度传感。EPC9204板上最高的部件只有1.2毫米。eGaN FET的高频性能大大降低了滤波要求,使输出滤波器电感具有更小的尺寸和更低的损耗。
 

图4:配有EPC2111的EPC9204开发板的方框示意图,非常适合12 V至1 V POL转换。
 
EPC9204在5 A负载和5 MHz下达到了78%的峰值效率,在400 LFM气流下的最大FET温度为100°C。图5显示了分别在3、5和10 MHz下运行时的高达12 A的负载电流范围效率曲线。
 

图5:使用EPC2111 eGaN IC单片半桥的12 VIN至 1 VOUT的EPC920412的效率与输出电流对比。
 
将高频12 V至1 V POL转换器设计从硅MOSFET迁移到eGaN IC是一个显而易见的选择,因为效率更高,而且尺寸和成本都降低了。表1显示了每瓦成本低于0.20美元的转换器材料清单。
 
表1:基于500 k单价的单片eGaN 12V至1V转换器的材料清单

 
基于eGaN IC的12 V至1 V,12 A负载转换器在5 MHz下可产生78%的峰值效率,功率密度至少为1000 W/in3,所有这些成本均低于0.20美元/瓦。
 
总结
消费者不断要求移动设备在保持小巧轻便的同时执行不断增长的耗电任务。减小核心功率电子器件的尺寸和降低功耗对于满足这些需求至关重要。
移动设备中这些电源系统中的电源转换电路占据了近一半的空间,并定义了主板的最大高度。实现尺寸减小的最直接方法是增加开关频率,从而减小输出电容和电感的尺寸。硅基POL系统通常工作在1 MHz及以下。基于氮化镓的功率器件在高频(如10MHz)下高效运行的能力将大大减少下一代移动计算的板面积和高度。
Efficient Power Conversion (EPC)
 

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