使用氮化镓(GaN)提高电源(PSU)能效

作者：安森美策略营销总监Yong Ang

提高能效一直是电源制造商的一个长期目标。这是真正的“双赢”，因为这不仅降低运行成本，而且减少了以热的形式浪费能量，意味着需要更少的散热管理，从而减小了电源的尺寸和成本。其他好处包括需要更少的冷却处理以减少风扇的噪声。

过去，电源(PSU)的能效通常引用一个单一的数字来说明可能的最佳能效。然而，在许多应用中，PSU在不同的负载水平下工作，很少能达到标题中提到的能效标准。特别是，当PSU在较低的功率水平下运行时，这就是个问题。

—80 Plus是个推荐标准，旨在解决整个负载范围内的高能效问题。它规定了从“基本”到“titanium”的六个级别在20%、50%和100%负载下要求达到的最低能效水平是80%。

—Titanium级别是最高的，比80 Plus增加了要求，即使在10%的负载需达到90%的能效，这是最严格的要求，只有更高功率的PSU才有可能实现。

氮化镓(GaN) – 理想的开关?

虽然硅基半导体器件近年来有了很大的改进，但80 Plus的严苛要求意味着需要新的技术来达到最高能效水平——特别是Titanium标准。碳化硅(SiC)和氮化镓等宽禁带(WBG)技术正成为主流，使设计的能效高达99%。

SiC可能更成熟，但GaN具有更低的导通电阻和更快的开关速度，有些人将其描述为“理想的开关”。基于GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)显然在具挑战的高能效应用中具有很大的优势。最简单的GaN开关被配置为常开，但现在常见的增强型或“e型”在施加零栅源电压时是关断的。这样做的好处是使它们至少在最初以类似于硅MOSFET工作的方式工作。

服务器PSU是最高要求的应用之一，只允许4%的损耗，使图腾柱PFC(TPPFC)级通常与LLC或移相全桥(PSFB)等谐振DC-DC转换器和同步整流输出级相结合。

图1：采用图腾柱PFC级和PSFB全桥的服务器PSU设计，采用GaN开关

在整个PSU中分担损耗，允许每个阶段有2%的损耗，这说明必须在GaN开关的开关和静态损耗之间取得良好的平衡。

增加裸片面积可减少静态损耗，但这也会增加器件电容，反过来又会增加每个开关周期所需的电荷。这意味着减少静态损耗将导致开关(动态)损耗的增加，尽管这种影响在GaN器件中相当小，而且明显好于硅基器件。

门驱动挑战

e-GaN HEMT器件与硅基开关之间最显著的区别是对非常特定的门极驱动的要求。输入电容(CISS)通常很低，它是并联栅极-源极和栅极-漏极的电容，两者都很低。然而，门极电流的峰值可达到1 A，这就要求门极驱动具有较低的源阻抗。在实际应用中，加入了一些源极电阻来控制漏极的dV/dt，从而消除了电压过冲和/或振荡。

最佳的门极电阻在导通和关断时是不一样的，所以通常的做法是使用单独的电阻和一个二极管。在更精密的电路中，可对门极电流进行有源控制(有电压限制)。但最小化和平衡任何传播延迟以充分利用GaN的速度优势非常重要。

e-GaN HEMT的阈值电压约为1.6 V，因此在开关时出现的瞬态可能会导致功率损耗，因为器件会虚假地导通，而且可能会出现不良的“击穿”，从而损坏器件。如果漏极上有较高的dV/dt，这可能是由于电荷通过栅极-漏极或“米勒”电容注入到门极而发生的。同样，当漏极-源极关断di/dt较高时，任何与门极驱动电路共用的源极电感都可能导致电压瞬变，从而对抗门极关断电压。

为了应对这些影响，设计中需控制dV/dt和di/dt，使其低于可能的最大值。这有助于减少EMI，并且可以在源头提供一个“开尔文”连接以分离门极驱动回路。

现成的集成GaN驱动器

驱动GaN器件的最佳和最简单的方法是使用预先优化的集成驱动器方案，如安森美(onsemi)的NCP58920或NCP58921。 这些器件是650 V增强型GaN器件，具有150 mΩ和50 mΩ的导通电阻，适用于所有常见的转换器拓扑结构，包括TPPFC，它们在“硬开关”应用中表现特别好，其中GaN具有显著优势。

在一个典型的低成本、TPPFC+LLC转换器中，一对NCP58921器件能提供超过250 W的直流输出，能效近95%。但在服务器电源中，以优化的导通模式和磁学，可达到80+ Titanium的目标。

图2：使用安森美的NCP58291集成GaN+驱动器的PSU，能效峰值约95%

NCP5892x器件采用热能效高的PQFN 8x8封装，焊盘裸露，结点到板的热阻为0.4 °C/W。驱动器部分的电源电压是非触发、非门限的，最低8.5 V，最高20 V，因为该器件内部含一个6 V钳位的低压降稳压器(LDO)用于GaN HEMT驱动器，如果需要还可集成一个用于外部数字隔离器电源的5 V LDO。

总结

GaN器件是最高性能的开关，提供极低的静态和动态损耗。当与驱动器共同封装时，它们在高性能电源转换器设计中简单应用，可满足严格的能效规范，如80 Plus Titanium。

原文标题：符合80 Plus Titanium标准的氮化镓设计挑战

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审核编辑：汤梓红