GaN使充电器设计发生革命

氮化镓（GaN）开关技术使充电器和适配器的小型化取得了重大进展。

GaN晶体管的开关效率很高。这允许开发转换器，该转换器可以以比使用等效硅器件的电路更高的开关频率工作，从而有可能减小变压器尺寸，或者提供可以显着提高系统效率，减少或消除散热器需求的解决方案。

通过使用基于GaN的晶体管和IC，设计人员已经能够提供小型充电器（通常还包含USB PD接口和快速充电协议），这些充电器可以显着增加在给定尺寸下可以提供的电量。用于驱动世界各个角落的各种个人便携式设备。

Power Integrations一直处于GaN革命的最前沿，为主要客户提供批量的完整电源解决方案。本文探讨了GaN器件的功能，并讨论了解决该技术带来的挑战的策略。

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GaN有多好？电源架构
的变化十年前，1立方英寸的充电器成为低功率反激式充电器的标志性足迹。该技术将尺寸范围推到了效率极限所允许的范围，这是当时可用的技术可以达到的最佳效果。在任何反激式设计中，功率开关都是造成功率损耗的最大原因，功率损耗是在每次开关转换和导通期间消耗功率的。开关损耗和传导损耗成反比。随着开关管芯面积的增加以减小R _DS（ON）（传导损耗），开关损耗也随之增加。

不同的硅晶体管技术-超结，垂直和横向-都在竞争以减少器件的总损耗。GaN通过从根本上减少开关损耗和传导损耗，极大地提高了充电器和适配器的开关效率。图1显示了说明这种性能变化的技术之间的比较。GaN器件本质上是坚固的，GaN开关中不会发生常规MOSFET中出现的雪崩击穿现象，因此使其非常适合在市电电压较高的区域进行离线功率转换。可能会有很大差异。

 

图1. GaN技术（以红色显示）能够减少在离线反激电压（额定电压600–750 V）下工作的电源开关的总开关损耗。（点击图片查看大图。）

 

由于引入了GaN开关而引起的开关效率变化也极大地降低了热挑战，从而导致了充电器的进一步小型化。这些变化的摘要如图2所示，该图比较了传统适配器和以前的高效适配器与Power Integrations的InnoSwitch AC-DC转换器IC（包括使用GaN电源开关的最新系列成员）供电的适配器的性能。

 

图2.随着电源开关效率的提高，能量损失（热量）减少。热量的减少意味着从设备传导热量所需的表面积也减少了。表面积的减少意味着电源的受热量限制的体积（电源必须具有的最小尺寸才能处理产生的热量）也减小了。有趣的是，使用准谐振反激电源以70 kHz的平均开关频率工作时，也可以实现最高效率的设计。热限制体积∝（（1-效率）/ 6）3/2。

 

GaN开关效率的阶梯式变化于2018年首次出现在充电器和适配器中，并导致充电器/适配器的占位面积和体积比大大降低，与图2中所述的体积和比例非常接近。图3显示了最新的GaN充电器与具有开创性的2008年设计和采用最佳可用硅开关技术的高性能设计相比，它采用了Power Integrations的PowiGaN GaN晶体管技术。

 

图3. GaN技术的引入极大地减小了充电器的尺寸。开关频率保持相似，拓扑结构也相似-但是电源开关技术的改进和显着的集成极大地提高了性能。（点击图片查看大图。）

 

解决GaN的挑战
GaN器件改变了功率密度的思想。最成功的电源设计利用提高的开关效率来减小转换器的尺寸。驱动GaN器件给设计人员带来了挑战，在实际设计中必须克服这些挑战。GaN器件转换非常快。栅极和源极连接之间的寄生电容以及通常在栅极阱和漏极衬底之间看到的栅极-漏极电容（米勒电容）很小（约为几nC），这确保了非常快的开关转换，从而导致低开关损耗。

为了在避免错误触发的同时关闭GaN器件，分立的电流检测电路插入了一个串联阻抗，该阻抗接近（有时在某些情况下会超过！）GaN开关的导通电阻。大电阻对于确保准确的短路检测和保护电路的快速环路响应是必不可少的。在追求最大效率的设计中，这显然是一个缺点。因此，工程师正在转向集成无损电流检测电路，该电路将SenseFET内置到GaN器件的结构中。

 

图4.离散GaN电路中对电流检测电阻的需求是一个挑战。为了引起快速的环路响应，必须增加电阻以产生足够的电压降，以使电流检测电路产生较强的偏置。在上面的简化示意图中，电阻值是实际参考设计所规定的值。

 

如果不加以调节，快速开关转换将在电路中产生严重的噪声问题。迹线电感和开关电容的组合会在开关事件期间引起高频振铃，从而导致电路工作中的噪声问题。对于GaN开关，重要的是通过良好的布局和GaN集成来减小开关环路（和次级整流器环路，在变压器中表现为“额外”泄漏电感）的尺寸，从而减小寄生电感。图5显示了有助于GaN开关电路振铃的电路元件。

 

图5.过渡期间有助于开关振荡的元素。注意变压器匝数比对次级走线电感的影响对初级漏感的影响。（点击图片查看大图。）

 

除了控制环路电感外，还必须考虑栅极驱动电路的尺寸，以适应功率开关的尺寸和栅极电荷特性。需要快速的栅极跃迁来减少交叉损耗（栅极电压和电流同时跃迁），但是要降低EMI，重要的是，该变化率受栅极电阻和驱动源极/灌电流的组合限制。与所使用的GaN器件匹配。图6比较了由适当大小的栅极驱动器驱动的GaN和Si开关的跃迁速率。

 

图6.使用相同的变压器和布局方法进行类似设计的Si截止与GaN截止的比较。请注意，GaN器件的关断特性更为明确，可快速克服Miller电容和相关的栅极电荷以关断器件。（点击图片查看大图。）

 

在驱动功率FET时，还需要考虑其他几个方面，例如在启动过程中如何控制常开GaN结构。将硅开关中的漏极电压过高引起的击穿和雪崩与GaN器件中更鲁棒的参数移位现象进行比较；优化开关频率并在变压器尺寸与较小的热限制体积之间进行权衡；可编程电源转换以及USB PD和PPS对电路效率的限制。每一篇都是独立的文章。

GaN器件提供了机会，可以极大地改善尺寸，外观，甚至可以改善现代电子设备中功率转换器件的吸引力。好处不仅限于适配器。家电应用受益于散热片的移除，这消除了机械问题，从而减少了振动和运输引起的故障，而计量和工业应用则开始在暴露于线路电压波动的情况下利用GaN开关的坚固性。GaN不再是新生的。仅Power Integrations就已经在市场上取得了长足的进步，仅Power Integrations就交付了数百万个包括GaN开关的电源IC。工程师将根据技术带来的好处，继续创新并提供更好的开关解决方案，前途一片光明-GaN，