由於寬能隙功率元件的優異性能表現,近幾年已經逐漸被採用而商用化。使用者對於新元件常見的問題,例如:究竟寬能隙元件對於系統的功率密度與效率的提升幫助有多少?原先所使用的以矽為基礎的元件在更複雜的拓撲與控制機制,所需要付出的成本會有多大?本文將以電源適配器的應用,來回答上述問題。

相對於矽功率元件,氮化鎵(GaN)電晶體是橫向結構的功率元件,其具有小於十分之一等級以下的閘極電荷與輸出電荷,並且沒有反向回復電流的問題。因此,適合被設計於高功率密度的65W電源適配器,並且在所有負載範圍操作條件之下,都可以能夠達到零電壓切換。

元件特性

當氮化鎵電晶體與矽功率元件互相比較時,超接面元件顯然是最佳的對應選擇。檢視目前最新的技術,超接面元件已經問世將近20年,經由多個世代的演進,可以同時達到低導通電阻,以及低雜散電容,所以元件可以做快速地切換。圖1表示了不同三個世代的超接面元件與增強型模式氮化鎵電晶體的輸出電容特性,圖2則為儲存在輸出電容的能量Eoss

20181204TA31P1 圖1 超接面元件與增強型模式氮化電晶體的輸出電容特性。

20181204TA31P2 圖2 儲存在輸出電容的能量。

即使氮化鎵電晶體的輸出電容在低壓時具有較小的值,但是實際儲存在輸出電容的能量值卻相當接近於超接面元件。這個能量在硬切換的每一個週期,會被以熱來散逸掉,氮化鎵的真正價值是在於軟切換應用,因為其具有零逆向回復損失的特性,如圖3所示,可以明顯看出氮化鎵電晶體的Qoss比超接面元件還小了十分之一以下。

20181204TA31P3 圖3 Qoss相對於電壓的比較,左圖為增強型模式氮化電晶體,右圖為超接面元件。

應用範例

這裡使用一個以非對稱PWM反馳式(flyback)拓撲的65W適配器為測試平台。如圖4所示,非對稱PWM flyback拓撲的原理,是利用激磁電流來幫助一次側切換開關零電壓切換,以及二次側同步整流開關零電流切換,以達到最高的轉換效率。一次側低端開關的導通時間固定,由諧振頻率決定,高端開關的導通時間則是由輸出電壓所決定,所以切換頻率是變化的,電路架構如圖5所示。

20181204TA31P4 圖4 以非對稱PWM flyback拓撲之65W USB-PD適配器,功率密度為27W/in3

20181204TA31P5 圖5 具有同步整流的非對稱PWM flyback。

這個適配器支援USB-PD功能,提供多組不同輸出電壓,從5V/3A到20V/3.25A,操作頻率範圍為100kHz~220kHz,取決於輸入與輸出電壓,並且搭配使用500V/140mΩ的超接面元件,最高效率可達94.8%,當Vin為90V時,滿載效率則為93%,效率曲線如圖6所示。

為了提高功率密度,氮化鎵元件的使用是必須的,隨著轉換器效率的提升,所產生的熱也會相對減少,這是由於氮化鎵元件的Qoss大為降低,能夠以較低的激磁電流來達到零電壓切換,因此,元件和變壓器的導通損失也可以被降低。此外,較低的閘極電荷降低了驅動損失,還有氮化鎵元件的Coss相對於超接面元件較低,當在做零電壓切換時,Coss的充放電所造成的切換損失也可以被降低。整體來說,對於系統效率在滿載及整個輸入電壓範圍可以提高約0.4%,如圖6所示。

20181204TA31P6 圖6 紅色曲線為超接面元件500V/140mΩ在不同輸入電壓的滿載效率,藍色曲線為氮化元件600V/190mΩ在不同輸入電壓的滿載效率,輸出電壓為20V。

除了效率的提升之外,氮化鎵元件在傳導干擾與輻射干擾上,也有不錯的表現。例如,在一個QR Flyback拓撲的45W標準適配器,輸出電壓19V、輸出電流為2.37A,平均效率為88%以上,如圖7所示。

20181204TA31P7 圖7 45W標準適配器,左圖為正面右圖為底面。

一般閘極驅動線路如圖8(a)所示,閘極導通與關斷瞬間之正與負電流:

20181204TA31P8-1

20181204TA31P8-2

還有穩態電流:

20181204TA31P8-3

20181204TA31P8 圖8 閘極驅動線路(a)、簡化之驅動線路(b)、閘極電荷特性(c)、閘極電流(d)。

如圖8(b)之中,Ion是由Ron所決定,而穩態電流則是取決於RSS。圖中的VN消失了,其實是VN並不需要,因為Con會將閘極驅動位準做一位移而形成負值。閘極線路元件參數的大小對於切換損耗的影響整理於表1,其中,Ess:steady-state gate current losses、Esw:switching losses、Ebd:reverse conduction losses。

20181204TA31P8-4 表1 閘極元件參數對切換損耗的影響。

在輻射干擾方面所下的對策如圖9所示,其中有:

1.在snubber接腳、供應的Vcc輔助繞組接腳及輸出端串接bead。

2.在效率與輻射干擾之間適當調整Ron、Roff

3.在汲極與源極間外加一電容Cext

4.輸入端加一common mode choke。

20181204TA31P9 圖9 針對輻射干擾所下的對策。

20181204TA31P10 圖10 下對策後的輻射干擾測試結果皆有足夠餘裕。

此外,原本的屏蔽鋁殼可以拿掉,只要將一次側插頭的地與二次側的地做連接即可。另外,測試的時候,電源線的擺放方式也會影響實際的量測結果,電源線不要與地板相接觸,以避免耦合到地端雜訊...

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