低功耗的下一个革命性步骤
日期：2021-08-12
充电器和适配器的GaN效率
作者：作者：Eric Persson，高级首席工程师，英飞凌科技
引言
据估计，全球每年生产40亿个充电器和适配器。它们为我们的手机、平板电脑、可穿戴设备以及我们不断消费的无数其他消费电子产品充电。适配器的成本对于原始设备制造商（OEM）来说无疑是一个重要的考虑因素，但是消费者期望方便，特别是非常小的外形尺寸和重量。监管要求也发挥了作用，但主要是针对待机功耗，而不是能源效率。为了安全起见，表面温度限制间接规定了效率。随着充电器变小，输出功率增加，能源效率必须保持同步，以限制耗散功率，防止外壳温度变得过热。对于当今功率范围高达65 W的小型适配器，这意味着在全功率下效率可达到92-95%。
对于额定功率为65 W及以下的适配器，不需要功率因数校正（PFC）。不必包括PFC电路是这个功率范围的一个明显优势，因为它是一个更简单、更小的电路，从而降低了成本。最近，具有一个或多个输出的USB-PD适配器在许多便携式设备中变得无处不在。本文讨论了电源开关在提高适配器的性能、密度和成本方面所起的作用，并提供了应用新技术的注意事项。传统上，功率晶体管是硅基的；然而，最近的趋势清楚地表明，宽带隙晶体管，特别是GaN，正在成为高性能、小尺寸适配器的标准。
拓扑趋势
为了适应全球通用的输入电压（85-265VAC），电源通常分为进行功率因数校正的前端升压转换器，然后是一个DC-DC级，用于隔离固定直流母线电压并将其转换为较低的稳压输出。但由于PFC是不需要低于65 W，这一级取代了一个简单的桥式整流器和总线电容器。直流母线电压直接跟踪输入电压，因此根据线路电压在3:1的范围内变化。因此，DC-DC级现在不仅必须提供隔离、电压缩放和宽范围负载调节，而且还必须提供宽范围线路调节。给定USB-C PD的3:1输入范围和典型的4:1输出电压范围，适配器中心的DC-DC转换器必须在12:1的组合电压转换范围内进行调节。该功能的主要拓扑结构是传统的反激变换器及其几种变体。经典的反激转换器工作在不连续导通模式（DCM）下，可以很容易地处理宽电压范围，但其密度和效率并不高。变压器实际上是一个用于存储和传输能量的耦合电感，初级和次级之间的漏感也存储必须管理的能量。一种方法是使用一个简单的电阻电容二极管（RCD）缓冲电路来耗散泄漏能量，但这是有损的，降低了效率。谐振和软开关技术增加了电路的复杂性，但可以在提高开关损耗的同时回收漏能。一种方法是准谐振（QR）方法，也称为“谷值切换”。这种拓扑结构有助于减少但不能部分消除导通损耗。正因为如此，QR反激转换器很少在超过65 kHz的频率下工作，因此与在数百kHz的频率下工作的拓扑相比，变压器体积较大。
一个更流行的变种是有源箝位反激（ACF）转换器。在这种拓扑结构中，箝位晶体管在主开关关断时导通，从而提供一条电流路径来恢复存储在漏感中的能量。这种漏感和箝位电容发生共振，并通过变压器将能量传递给负载，而不是将其耗散在缓冲器中；最后，提高了效率。如果设计得当，ACF晶体管在零电压开关（ZVS）模式下工作，因此几乎消除了开关损耗，并且能够在比传统或QR反激高得多的频率下高效工作。频率越高，变压器结构越小。
图1有源箝位反激（ACF）拓扑的简化电路
这些基于反激的拓扑结构的共同点是晶体管的额定电压必须高于总线电压。谐振拓扑使用晶体管输出电容（COSS）作为谐振电路的一部分，因此较小的电容是在更高频率下实现低损耗以及减小变压器和电磁干扰（EMI）滤波器组件尺寸的关键。
关于功率晶体管技术的思考
许多年甚至今天，像CoolMOS™ 这样的硅（Si）超结（SJ）晶体管 一直是充电器/适配器中使用的主要晶体管技术。SJ晶体管提供低RDS(on)，优秀的电流处理能力，容易的栅极驱动，以及在一个小封装中经过时间验证的可靠性，所有这些都是低成本的。考虑到适配器所需的宽电压范围，以及由于漏感和雷击电涌瞬变引起的过电压瞬变，即使是650V晶体管也往往不够，700-800V变体用于某些应用。这是GaN比Si具有显著优势的一个领域。当外加电压超过额定电压时，硅晶体管进入雪崩击穿。一些设计使用这种“齐纳”效应作为缓冲来抑制过电压瞬变。但是，即使能量在晶体管的安全工作区（SOA）内，这种方法也会增加功率损耗，并可能导致产生额外的不良EMI。此外，浪涌产生的大量能量可能超过雪崩能量能力，并破坏晶体管。另一方面，GaN晶体管的额定电压远低于其实际破坏性击穿电压。晶体管的额定电压是基于规定的应用条件，以满足器件寿命中所需的可靠性水平。例如，对于CoolGaN™ 600V e型HEMT，破坏性击穿电压通常超过1000V，在各种条件下，其脉冲电压额定值为750V。这是一个完美的ACF匹配拓扑，其中泄漏能量由谐振电路管理，雷击浪涌电压由GaN的高脉冲电压额定值调节。
GaN晶体管的第二个显著优点是，对于给定的RDS(on)，输出电荷比可比较的Si晶体管小一个数量级。这可能是一个令人困惑的规格，因为硅晶体管的电容是非线性的，可能看起来相当，但当集成在整个工作电压，对GaN的QOSS显然是优越的。这是实现更高频率运行的关键因素。在软开关转换期间，储存在变压器电感中的能量被用来“无损地”从一个晶体管切换到另一个晶体管的电压转换。对于给定的电感电流，过渡所需的死区时间与晶体管的电荷成正比。例如，65 W GaN基ACF转换器可能需要100ns用于ZVS换流。Si-SJ技术在同样的条件下需要1000纳秒，因为它的QOSS要大10倍。当工作在300 kHz，100纳秒只有3%的总周期，但1微秒是整个周期的三分之一！
死区时间对于将功率传输到二次侧是无效的，因此当死区时间超过总周期的百分之几时，由于rms电流的增加，传导损耗将打折扣。超结技术在300kHz下工作的唯一方法是显著增加为换相储存的循环能量，但这相应地增加了RMS电流和传导损耗。因此，具有低QOSS的GaN晶体管对于在更高频率下操作ACF同时保持高效率是至关重要的。
栅极驱动要求
GaN晶体管的栅极驱动要求不同于Si晶体管。一个关键的区别是GaN的阈值和全导通栅源电压（VGS）明显低于Si晶体管。虽然这可能是个好消息，因为它减少了栅极电荷，但它也可能在晶体管本应关闭时，在保持晶体管关闭方面产生挑战。参考图1中的ACF电路，注意两个晶体管被配置为半桥，主开关在底部，有源箝位作为高压侧开关。控制器和低边晶体管驱动器由偏置电源供电。但是高压侧的栅极驱动器需要一个浮动电源。在大型电信或数据中心电源中，提供一个单独的DC-DC转换器，为高压侧提供这种浮动偏置电源。但在适配器/充电器领域，这种方法的规模和成本都令人望而却步。为高压侧供电的一种常见方法是所谓的“自举”电源，即当低压侧接通时，高压侧偏置的储能电容器通过二极管从低压侧偏置电源向上充电。当高压侧打开时，它会从储能电容器中吸取偏置，必须定期补充（每次低压侧打开时）。当电路连续工作时，这是为高压侧供电的一种非常有效和低成本的方法。但挑战在于如何在不连续模式下操作。例如，在第一次通电时，或者类似地，在待机模式下的两次突发之间的长的超时时段之后，自举电容器可能被放电，并且高压侧驱动电路因此被断电。当低压侧打开时，高压侧晶体管的漏源极电压（VDS）会迅速上升，而dV/dt会将电流注入其栅极，将其拉高。由于高压侧栅极驱动电路尚未通电，因此它可能无法将高压侧晶体管VGS保持在其导通阈值以下。这会导致伪导通，通常称为“米勒诱导” CdV/dt导通。
鉴于在ACF中使用的功率晶体管的半桥配置，显然不希望同时打开高压侧，结果是低侧导通。即使产生的击穿电流没有破坏性（因为箝位电容是串联的），它仍然会导致不稳定和意外的电路行为。例如，击穿改变了箝位电容器的电荷状态，并在控制器使用的测量分流器中产生电流尖峰。这可能导致控制不当行为，因为控制器将电流尖峰解释为变压器电流达到关断阈值。
那么，那么如何才能避免当引导电容器没有充电时高侧的虚假开启？一般的栅极驱动器集成电路有时包括一个箝位电路设计。但是用于硅晶体管的传统方法依赖于更高的阈值电压，如典型3-4V的硅MOSFET。因此，电路在1-2V范围内开始箝位，不幸的是，它们需要数百ns才能开始箝位。但是GaN晶体管已经可以在这些栅极电压下传导大量电流。GaN需要在1V或更低的电压下发生箝位，箝位动作必须和GaN晶体管一样快。英飞凌在其现有的硅栅极驱动IC工艺中开发了一种“快速箝位”电路，即使栅极驱动IC没有可用的电源电压，也能在20 ns内箝位在0.8 V。这种集成电路工艺用于英飞凌的EiceDRIVER™ 产品，是数据中心、电信和工业电源、驱动器和逆变器应用领域经现场验证的行业标准。IC平台包括高速电流隔离，额定值可承受150 kV/µs共模瞬态抗扰度（CMTI），是目前免疫水平最高的产品之一。
高性能集成解决方案
为了优化与GaN晶体管相结合的快速箝位驱动器的性能，必须使它们之间的干扰阻抗最小。英飞凌已经采取了集成高边和低边GaN晶体管（190 mΩ）的方法，与新的半桥驱动器一起集成到一个iQFN 8x8mm封装中，制作半桥集成功率级（IPS），如图2所示。
Infineon的集成和分区方法与竞争产品相比具有若干优势。首先，不需要外部数字隔离器。传播延迟很短（47ns），更重要的是，高低端驱动器之间的延迟不匹配仅为几个ns，因此可以安全且容易地将死区时间调整到最小以获得最佳效率。栅极驱动RC网络是外部的，允许调节开关速度以平衡损耗和EMI。通过隔离栅的电容非常小，这降低了共模EMI电流。最后，高侧和低侧驱动器完全隔离。
图2：CoolGaN的方框图（a）和iQFN 8x8 mm封装CoolGaN™半桥IPS
高性能结果
为评估CoolGaN™的性能，设计并制作了65 W 通用输入转换器样机。同步整流二次输出通过支持5至20 V的USB-C PD接口。表1显示了运行条件和全功率效率。请注意，从低到高的线路条件下，频率会升高近20%。但是由于ZVS操作，CoolGaN™ IPS变化很小。另一方面，由于工作频率较高，变压器铁心额外耗散0.5 W。然而，全量程总体运行效率为≥ 93%，使这种设计适合小尺寸、高密度适配器设计。表1：使用CoolGaN™ IPS技术的65 W ACF适配器原型
结论
电源开关在提高适配器的性能、密度和成本方面起着至关重要的作用。本文介绍了技术发展趋势，概述了应用新型功率晶体管技术的注意事项和要求。Infineon的集成和分区方法与竞争产品相比具有显著的优势。基于GaN基65 W通用输入变换器原型设计与实现的ACF应用展示了高性能的结果，为低功耗电力电子应用开辟了一个新纪元。www.infineon.com
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