GaN改变充电器设计

氮化镓 (GaN) 开关技术推动了充电器和适配器的小型化。与使用等效硅器件的电路相比，它允许开发可以在高开关频率下运行的转换器。GaN 减小了变压器尺寸，提供了显着提高系统效率的解决方案，减少或消除了对散热器的需求。通过使用基于 GaN 的晶体管和 IC，设计人员一直在生产小型充电器。Power Integrations 一直处于 GaN 革命的前沿，为许多客户批量提供完整的电源解决方案。本文探讨了 GaN 器件的功能，并讨论了应对该技术带来的挑战的策略。

电源架构的变化

十多年前，一 (1) 立方英寸充电器成为低功率反激式充电器的标志性产品。该技术在效率限制允许的范围内推动了信封的大小，并且是当时最好的。任何反激式设计中的电源开关都会造成功率损耗、每次开关转换期间的功耗和导通。开关损耗和传导损耗成反比。随着开关芯片面积的增加以降低 RDS(ON)（传导损耗），开关损耗会增加。不同的硅晶体管技术——超级结、垂直和横向——都在竞相减少器件中的综合损耗。然而，GaN 通过从根本上降低开关损耗和传导损耗，显着提高了充电器和适配器的开关效率。

图 1：GaN 技术（以红色显示）能够降低在离线反激电压（开关额定值 600 – 750 V）下运行的电源开关的总开关损耗

GaN 开关的引入带来的开关效率变化也极大地减少了热挑战，从而导致充电器进一步小型化。图 2 显示了这些变化的摘要，其中比较了传统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。热量的减少意味着将热量从设备中传导出去所需的表面积也减少了。表面积的减少意味着电源受热限制的体积（电源必须具有的最小尺寸才能处理产生的热量）也减少。有趣的是，最高效率设计也是通过准谐振反激电源在 70 kHz 的平均开关频率下运行来实现的。
热限制体积 ∝ ((1-efficiency)/6) 3/2 

GaN 开关的效率阶跃变化于 2018 年首次出现在充电器和适配器中，并导致充电器/适配器占用空间的显着减少和与图 2 中描述的非常接近的体积比。图 3 显示了最新的 GaN充电器，它使用 Power Integrations 的 PowiGaN™ GaN 晶体管技术，与突破性的 2008 设计和使用最佳可用硅开关技术的高性能设计相比。

图 3：GaN 技术的引入极大地减小了电源充电器的尺寸。开关频率保持相似，拓扑结构有些相似——但功率开关技术的改进和显着的集成显着提高了性能。

应对GaN的挑战

GaN 器件重塑了功率密度思维。最成功的电源设计利用提高的开关效率来减小转换器尺寸。驱动 GaN 器件给设计人员带来了挑战，必须在实际设计中克服这些挑战。GaN 器件的开关速度非常快。栅极和源极连接之间的寄生电容以及栅极阱和漏极衬底之间的栅极-漏极电容（米勒电容）非常小（大约几个 nC），这确保了快速开关转换，从而导致低开关损失。

为了在关闭 GaN 器件的同时避免误触发，分立电流检测电路，插入一个接近（并且在某些情况下超过！）GaN 开关导通电阻的串联阻抗。电阻对于确保保护电路的准确短路检测和快速环路响应是必要的。在力求最大效率的设计中，这是一个缺点；因此，工程师们转向将 SenseFET 构建到 GaN 器件结构中的集成无损电流感测电路。

图 4：分立 GaN 电路中对电流检测电阻器的要求是一个挑战。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，从而为电流检测电路提供强偏置。在上面的简化示意图中，电阻值是由实际参考设计规定的值。

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。走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，从而导致电路运行出现噪声问题。对于 GaN 开关，它是通过结合布局和 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”漏电感）的尺寸来降低寄生电感。图 5 显示了在 GaN 开关电路中有助于振铃的电路元件。

图 5：在过渡期间有助于切换振荡的元素。请注意变压器匝数比放大的次级迹线电感对初级漏电感的贡献

除了控制环路电感外，还必须考虑适当调整栅极驱动电路的大小、电源开关的大小和栅极电荷特性。为了减少交叉损耗（栅极电压和电流），需要栅极转换。降低 EMI 变化率受到栅极电阻和驱动源/灌电流的限制，这应该与 GaN 器件匹配。图 6 比较了 GaN 和 Si 从适当大小的栅极驱动器切换的转换速率。

图 6：使用相同变压器和布局方法的类似设计的 Si 关断与 GaN 关断的比较。请注意 GaN 器件更明确的关断特性，可以快速克服米勒电容和相关的栅极电荷来关断器件。

驱动功率 FET 时还需要考虑其他几个方面。启动时如何控制常开GaN结构；将与硅开关中过量漏极电压相关的击穿和雪崩与 GaN 器件中更稳健的参数偏移现象进行比较；开关频率的优化以及变压器尺寸与较小的受热限制体积的权衡；可编程电源转换和 USB PD 和 PPS 对电路效率施加的限制。每一篇都是单独的一篇文章。

审核编辑：刘清