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。

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。

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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