整合式驅動器GaN實現80+鈦金認證的PSU性能
作者 : Yong Ang，onsemi策略行銷總監
GaN元件是性能最好的開關，提供極低的靜態和動態損耗。當與驅動器共同封裝時，可在高性能電源轉換器設計中滿足嚴格的80 Plus 鈦金級能效要求...
提高能效一直是電源製造商的長期目標之一，這可謂真正的「雙贏」，因為不僅是降低運作成本，並且減少了以「熱」形式所浪費的能量，意味著散熱管理的需求降低，從而降低了電源供應器(PSU)的體積和成本，其他好處還包括無需冷卻處理，進而減少風扇的雜訊。
電源供應器過去通常採用特定數字來說明可能達到的最佳能效。然而，在許多應用情境中，PSU在不同的負載水準下運作，很少能達到80 Plus認證的能效標準。尤其當PSU在較低的功率級運作時就是個問題。
80 Plus是個業界推崇的標準，旨在解決整個負載範圍內的高能效問題，它制定了「基本」到「鈦金」(Titanium)共六個級別，以保證其在20%、50%和100%負載下仍有80%以上的能效轉換水準。
「鈦金」(Titanium)級是其最高標準，額外要求電源供應器即使在10%負載下，仍需達到90%的能效表現，這可謂最嚴格的要求，只有更高功率的PSU才可能做到。
氮化鎵(GaN) – 理想的開關？
雖然矽基半導體元件在近年有了很大的改良，但80 Plus的嚴苛要求意味著需要新的技術以達到最高能效水準，特別是要符合鈦金級。碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬能隙(WBG)技術正逐漸成為主流，使設計的能效可高達99%。
SiC或許更為成熟，但GaN具備更低的導通電阻和更快的開關速度，有些人將其稱為 「理想的開關」。基於GaN的高電子遷移率電晶體(HEMT)顯然在具挑戰的高能效應用中有很大的優勢。最單純的GaN開關一般被預設為開啟，但現在常見的增強型或「e型」，在施加零閘源電壓時則是關閉的。這樣做的好處是使其至少在最初以類似於矽MOSFET的方式工作。
伺服器的PSU是要求最嚴苛的應用之一，最多只能容許4%的損耗，使圖騰柱PFC (TPPFC)級通常與LLC或相移全橋(PSFB)等諧振DC-DC轉換器和同步整流輸出級相結合。
圖1：採用圖騰柱PFC級和PSFB全橋的伺服器PSU設計，採用GaN開關。
在整個PSU中分擔耗損，每個階段最多只允許2%的耗損，這說明必須在GaN開關的開、關和靜態損耗之間取得良好的平衡。
增加裸晶片面積可減少靜態損耗，但這也會增加元件電容，反過來又會增加每個開關週期所需的電荷。這意味著減少靜態損耗將導致開關(動態)損耗的增加，儘管這種影響在GaN元件中相當小，而且明顯優於矽基元件。
閘極驅動器挑戰
e-GaN HEMT元件與矽基開關之間最顯著的區別是對極為特定的閘極驅動的要求。輸入電容(CISS)通常很低，它是並聯閘極-源極和閘極-漏極的電容，兩者都很低。然而，閘極電流的峰值可達到1A，這就要求閘極驅動器具有較低的源阻抗。在實際應用中，加入了一些源極電阻來控制漏極的dV/dt，從而消除了電壓過衝和/或振盪。
最佳的閘極電阻在導通和關斷時是不一樣的，所以通常的做法是使用單獨的電阻和一個二極體。在更精密的電路中，可對閘極電流進行主動控制(限制電壓)。但盡可能最小化和平衡任何傳播延遲以充份利用GaN的速度優勢是非常重要的。
e-GaN HEMT的閾值電壓約為1.6V，因此在開關時出現的瞬態可能會導致功率損耗，因為元件會假通電，而且可能會出現不良的「擊穿電流」，以致於損壞元件。如果漏極上有較高的dV/dt，這可能是由於電荷通過閘極-漏極或「米勒效應」(Miller effect)電容注入到閘極而發生的。同樣地，當漏極-源極關斷di/dt較高時，任何與閘極驅動器電路共用的源極電感都可能導致電壓瞬變，從而抵抗閘極關斷電壓。
為了因應這些影響，設計中需控制dV/dt和di/dt，使其低於可能的最大值。這有助於減少EMI，並且可以在源頭提供一個「開爾文效應」(Kelvin Effect)連接以分離閘極驅動器迴路。
現有的整合式GaN驅動器
驅動GaN元件的最佳和最簡單方法是使用預先改良的整合式驅動器解決方案，如安森美(onsemi)的NCP58920或NCP58921。這些元件是650V增強型GaN元件，具有150mΩ和50mΩ的導通電阻，適用於所有常見的轉換器拓撲結構，包括TPPFC，它們在「硬開關」應用中表現特別好，其中GaN具有顯著優勢。
在一個典型的低成本、TPPFC+LLC轉換器中，一對NCP58921元件能提供超過250W的直流輸出，能效近95%。但在伺服器電源中，以改良的導通模式和磁學，可達到80+鈦金級目標。
圖2：使用安森美的NCP58291整合式GaN+驅動器的PSU，能效峰值約95%。
NCP5892x元件採用熱能效高的PQFN 8×8封裝、裸焊盤、結點到板的熱阻為0.4°C/W。驅動器部份的電源電壓並非觸發值的最低8.5V/最高20V，因為該元件內部含一個6V箝位的低壓差穩壓器(LDO)用於GaN HEMT驅動器，如果需要還可整合一個用於外部數位隔離器電源的5V 低壓差穩壓器。
總結
GaN元件是性能最好的開關，提供極低的靜態和動態損耗。當與驅動器共同封裝時，它們在高性能電源轉換器設計中可簡單應用，可滿足嚴格的能效規範，如80 Plus 鈦金等級標準。
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