您所需要的是集成
日期：2021-10-08
简单易用的数字输入集成GaN电源解决方案可提供更高的效率并带来更高的功率密度
作者：Ngee Hou Tan，高级产品营销经理；Thomas Beer，战略系统应用工程CoolGaN™高级总监，电源和传感器系统部，英飞凌科技
引言
今天的开关电源（SMP）比以往任何时候都更小、效率更高、成本更低。其性能的关键在于其核心的电源开关技术——但设计师应如何为此选择合适的材料，并找到满足其需求的最佳组件？虽然硅是半导体中最广为人知的成分，但一组新的宽带隙（WBG）材料正越来越多地进入应用领域。其中一个例子是氮化镓（GaN），它已在高频RF（射频）系统中使用多年，几年后就提供给中高压电源开关解决方案。
最近，GaN已经成为电力电子中开关晶体管的流行选择。图1显示了宽带隙（WBG）技术将成为首选组件的位置。GaN晶体管优值系数（FOM）使电源能够提供更好的效率，更高的开关频率和更高的功率密度，具有更好的鲁棒性。
本文概述了为什么氮化镓材料在电力电子中的应用越来越广泛，以及它们能带来什么好处。最新的集成电源解决方案，可以提供一个有吸引力的替代经典的分立元件。此外，还提供了Infineon的GaN分立式和集成系统解决方案的选择指南，以帮助系统设计师做出最佳电源开关技术选择。根据应用的不同，讨论了高、中、低功率GaN产品选项，以及它们不同的灵活性和集成度。最后，为了节省设计时间，我们参考了英飞凌的演示板产品，以方便快捷地设置和基准测试GaN解决方案。
图1.WBG和硅电源开关英飞凌品牌定位
GaN的好处
GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）在功率器件方面比硅具有一些关键优势。具体而言，GaN-HEMT FoM具有：•输出寄生COSS的线性行为更低
•栅极电容Cg降低10倍
•由于缺少经典MOSFET体二极管，零反向恢复损耗，以及
•通道中电子（空穴）的更高迁移率，使RON*面积[mm2]在更低的开关损耗下具有更快的开关速度，并具有优异的动态导通电阻。
这使得GaN HEMT成为高速开关的最佳选择，由于所需外部电感或电容的尺寸减小，因此能够节省功率并降低系统总成本。它允许更高的工作频率，从而提高功率密度和整体系统效率。在高达1 MHz的高频操作中，开关速度对于确定能量如何传输至关重要。英飞凌CoolGaN™的超快切换速度，组件可以使死区时间非常短，从而提高效率。
可以说，GaN功率晶体管最重要和最显著的特征之一是其“反向恢复”性能。由于英飞凌公司的CoolGaN™ 晶体管没有少数载流子和体二极管，它们不会表现出反向恢复。因此，在大多数已知的硬开关图腾柱（半桥）拓扑中不会产生功率损耗，这有助于最大限度地提高效率。
与MOSFET相比，GaN宽带隙（WBG）材料的第二个最显著特征是GaN不像MOSFET那样具有硬击穿电压。600 V/650 V GaN HEMT能够承受750 V以上的较大瞬态（短期）过电压，并且不会像MOSFET那样出现雪崩突破，从而导致立即的电应力过大（EOS）。这是使它们比其硅同行更健壮的原因之一。在数据表中，测试设备已通过750V短瞬态脉冲超过1000万次的认证。
此外，GaN HEMT WBG可靠性和认证是根据最新发布的JEDEC标准：JEP180（方法和程序）、JEP173（GaN动态导通电阻测试方法）和JEP182（GaN寿命和连续开关测试方法）进行的。
图2显示了GaN HEMT（如英飞凌的CoolGaN™）是如何工作的, 在源极和漏极之间有一个横向导电沟道，与传统硅MOSFET的垂直沟道相反。通过横向集成，由于单片集成能力，未来的GaN HEMT集成功率级（IPS）将具有更高的智能功能。此外，我们应该记住，与经典MOSFET相比，GaN材料的背面位于源（地）上。这具有降低寄生封装电容（Cpk）、简化封装集成的优点，并且在某些情况下，它消除了经典MOSFET散热片的隔离热接口材料，背面带有漏极（有源高压（HV）侧）。
图2.横向电源开关技术
CoolGaN™ HEMT由于具有非常坚固的“p栅”结构，通过消除额外的两个箝位z二极管（通常出现在经典肖特基栅输入中），节省了材料清单（BOM）成本。使用带有三个分立Rg、RSS、CON（RRC，见图3）的经典栅极驱动器，输入仍然非常简单。经典的栅极电阻器Rg用于转换速率控制（dV/dt），稳态电阻器RSS用于在5 mA至25 mA正向电流下保持通道打开，CON电容用于快速负关断脉冲和安全关断，因为低Vth GaN HEMT没有任何再通电风险（有关尺寸标注，请参阅英飞凌的应用说明“驱动600 V CoolGaN™ HEMT的快速参考指南）。
对于大功率SMPS（远远大于1-2 kW），以及在使用最低RDS(ON)和最低Rth分立GaN功率封装的情况下，建议使用英飞凌的EiceDRIVER™系列栅极驱动器。专用的功能性和加强型隔离GaN EiceDRIVER™ （1EDF56xx）具有快速、高精度、稳定的定时和高共模鲁棒性（大于150 V/ns）。
为什么要进一步集成？
英飞凌CoolGaN™ 已经是一种成熟、可靠、高性能的分立产品技术。一个新的、第一个系列的单通道和半桥、高压、真正的常关CoolGaN™ 最近推出了带有集成驱动器的集成功率级（IPS）产品。图3描述了使用GaN的不同集成和分立系统解决方案的简单易用产品指南。它显示了功率集成的不同增长水平，以及在不同封装集成密度下多个功能的可用性。第一行显示控制器和电源开关，以及合适的无源器件。第二和第三阶段展示了添加合适的隔离GaN（iso-GaN）驱动器如何增加和适应一次侧和二次侧控制拓扑、大功率系统集成。第三行和第四行显示了一个真正的IPS系统解决方案，从简单易用的IPS（包括栅极驱动器）开始，到包含特定拓扑控制器的特定应用集成系统解决方案。
图3.从灵活的分立到特定于应用的IPS系统解决方案
为什么集成意义重大？CoolGaN™ IPS技术结合了一个或多个CoolGaN™ 带专用EiceDRIVER™ 栅极驱动器的常闭GaN开关。这些部件集成到单个QFN封装中，节省了PCB空间，有助于实现小尺寸设计并降低总体成本。集成使设计更快更容易，从而缩短上市时间。
让我们看一个例子，CoolGaN™ IPS半桥600 V。它结合了一个半桥功率级，由两个600 V CoolGaN™开关组成，带有专用的栅极驱动器和适当的隔离，在一个紧凑的8x8 mm2 QFN-28封装中（见图4）。
图4.半桥CoolGaN™ IPS框图（a）
（b）8x8 mm2 QFN封装
CoolGaN™ IPS系列包括单通道和双通道器件上的功能隔离PWM输入。单通道器件的目标功率级为从100 W到约1 kW的SMPS。双通道半桥器件针对高密度USB充电器/适配器应用。
每种产品都经过优化以获得更高的功率和密度，同时尽可能简单地添加到产品设计中。例如，电源孤岛PCB设计技术可将对数字电源域的干扰降至最低。同样，真正的电流隔离栅极驱动器将电磁干扰（EMI）保持在尽可能低的水平，以实现稳健的运行。
对于设计工程师来说，CoolGaN™ IPS的集成提供了健壮性、计时准确性和简单性，并消除了选择栅极驱动器所需的时间和精力。设计他们的系统尽可能简单：实际上，只需要提供适当的数字PWM输入，然后输出功率。
物料清单（BOM）中的元件数量减少，因为不需要额外的隔离器IC来驱动引导带高压侧。此外，封装内部和PCB上的开关节点寄生电感很小。
集成GaN功率器件的应用电源最重要的消费市场之一是低功耗USB-PD充电器和适配器市场。这些年来，智能手机附带的充电器越来越小，越来越轻。它们可以从相同大小的设备提供更多的电源，以便更快地为设备充电或从一个适配器为多个设备充电。市场上采用的其他解决方案包括液晶电视电源、电机驱动和照明。高功率密度和更高的功率转换效率在这些市场中占主导地位。
如何提高性能和缩小尺寸？这些是CoolGaN™ IPS等集成解决方案的理想市场。对于价格敏感的消费者来说，必须将系统成本降至最低，而实现尽可能最小的充电器是产品供应商的竞争优势。此外，还需要浪涌稳健性、安全隔离以及CE（EMI）和USB兼容性。
对于高密度、通用、USB连接的充电器/适配器，IGI60F1414A1L CoolGaN™ IPS可用于有源箝位反激（AC-FB）或不对称谐振半桥（ASHB-FB）拓扑。IGI60F1414A1L采用单个8x8 mm2封装，与分立元件相比，显著减少了所需的PCB空间。
在软开关中运行时，在两种拓扑中，泄漏能量都被回收，这使它们的效率比单开关拓扑提高1%或更多。1%听起来可能没那么多，但对于这种应用来说，这是一个巨大的胜利。实际上，CoolGaN™ IPS可以实现约95%的低功率输出效率，最高可达约75 W。超过75 W，该效率数字通常会略微下降至约93%。
英飞凌继续以集成为主题，为USB-PD充电器系统解决方案提供完整的产品组合。这包括CoolMOS™ 还有CoolGaN™ 电源开关以及独立的EZ-PD™ USB协议控制器。
图5.充电器/适配器应用的趋势
对于中低功率市场，CoolGaN™ IPS真的有它自己的功能。当需要更高功率时，分立功率级（DPS）通常提供最佳解决方案，例如，超薄OLED电视、家用电器以及大功率工业、数据中心和电信应用。
评估板节省了设计时间帮助设计师开始使用CoolGaN™ IPS，英飞凌提供评估板EVAL_HB_GANIPS_G1（见图6），可以轻松快速地设置和测试CoolGaN™ IPS半桥。
使用外部电感器，设计人员可以配置评估板的半桥拓扑结构，用于升压或降压操作、脉冲测试或功率水平高达100W、频率高达1MHz的连续全功率操作。该板提供对CoolGaN™ IPS逻辑输入的直接链接芯片组，用于通过外部微控制器或数字信号处理器驱动芯片组。
评估板意味着用户无需设计自己的栅极驱动器和电源电路来评估GaN晶体管，从而节省宝贵的时间。
图6.评估HB\U GANIPS\U G1评估板
图7显示了使用评估板进行双脉冲测试的典型应用示例。5 V电源提供电路电源，为IPS逻辑和隔离门驱动器电源供电。直流母线电压由0-400 V电源提供，输入脉冲宽度调制（PWM）信号由实验室脉冲发生器提供。需要一个测试电感器从直流母线连接到开关节点输出，然后可以使用示波器观察和测量电感器电流、开关节点电压或电路板上的任何其他信号。
图7.评估板的典型应用示例（双脉冲测试）
结论
英飞凌为分立电源开关提供全套技术：CoolGaN™、CoolSiC™、IGBT、CoolMOS™和OptiMOS™。正确器件的技术选择取决于许多标准。虽然很容易看到GaN HEMT用于高频设计，但GaN FOM的整体优势使其能够在现有或略微增加开关频率的情况下取代过去的电源开关技术。
在中低功耗应用中，集成密度和最低寄生更进一步，另一个选择是使用新推出的、易于使用的集成电源组件，如英飞凌的CoolGaN™ IPS，包括CoolGaN™ 电源开关和适当的驱动器，具有最低的寄生性和最佳的上升和下降时间（dV/dt，dI/dt）可控性。
选择最佳解决方案始终取决于系统设计工程师，但使用集成电源组件是一个令人信服的理由。它们可以提供卓越的效率、健壮性、高功率密度和宝贵的PCB空间节约。
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