GaN轉變充電器設計方案詳解

氮化鎵（GaN）開關技術使充電器和適配器的小型化取得了進步。與使用等效硅器件的電路相比，它允許開發可在高開關頻率下工作的轉換器。GaN減小了變壓器的尺寸，提供了可顯著提高系統效率的解決方案，從而減少或消除了對散熱片的需求。通過使用基于GaN的晶體管和IC，設計人員一直在生產小型充電器。Power Integrations一直處于GaN革命的最前沿，可為許多客戶批量提供完整的電源解決方案。本文探討了GaN器件的功能，并討論了解決該技術帶來的挑戰的策略。

電源架構的變化

十多年前，一（1）立方英寸充電器成為低功率反激式充電器的標志性足跡。該技術將封套尺寸推到了效率極限所允許的范圍，這在當時是最好的。任何反激式設計中的電源開關都是造成功率損耗，在每次開關轉換期間耗散功率以及導通的原因。開關損耗和傳導損耗彼此成反比。隨著開關管芯面積的增加以減小RDS（ON）（導通損耗），開關損耗也會增加。超級結，垂直和橫向的不同硅晶體管技術都在競爭以減少器件的綜合損耗。但是，通過從根本上減少開關損耗和傳導損耗，GaN極大地提高了充電器和適配器的開關效率。

圖1：GaN技術（以紅色顯示）能夠降低在離線反激電壓（開關額定值為600 – 750 V）下工作的電源開關的總開關損耗

由于引入了GaN開關而引起的開關效率變化也極大地降低了熱挑戰，從而導致了充電器的進一步小型化。這些變化的摘要如圖2所示，該圖將傳統和以前的高效適配器與Power Integrations的Innoswitch?AC-DC轉換器IC（包括最新的使用GaN電源開關的家族成員）供電的適配器的性能進行了比較。

圖2：隨著電源開關效率的提高，能量損失（熱量）減少。熱量的減少意味著從設備傳導熱量所需的表面積也減少了。表面積的減小意味著電源的受熱量限制的體積（電源必須具有的最小尺寸才能處理產生的熱量）也減小了。有趣的是，使用準諧振反激電源以70 kHz的平均開關頻率工作時，也可以實現最高效率的設計。
熱限制體積∝（（1-效率）/ 6）3/2

GaN開關效率的階梯式變化于2018年首次出現在充電器和適配器中，并導致充電器/適配器的占位面積以及體積比與圖2中所述的體積比顯著降低，從而大大減少。圖3顯示了最新的GaN充電器，采用Power Integrations的PowiGaN?GaN晶體管技術，與突破性的2008年設計和采用最佳現有硅開關技術的高性能設計相比。

圖3：GaN技術的引入極大地減小了充電器的尺寸。開關頻率保持相似，拓撲結構也相似-但是對功率開關技術的改進和顯著的集成極大地提高了性能。

應對GaN的挑戰

GaN器件重新設計了功率密度的思想。最成功的電源設計利用提高的開關效率來減小轉換器的尺寸。驅動GaN器件給設計人員帶來了挑戰，在實際設計中必須克服這些挑戰。GaN器件的開關速度非?？?。柵極和源極連接之間的寄生電容以及柵極阱和漏極襯底之間的柵極-漏極電容（密勒電容）非常?。◣譶C量級），這確保了快速的開關轉換導致低開關損失。

為了關閉GaN器件同時避免錯誤觸發，分立的電流檢測電路，請插入一個接近（有時在某些情況下超過?。〨aN開關導通電阻的串聯阻抗。該電阻對于確保準確的短路檢測和保護電路的快速環路響應是必不可少的。在追求最大效率的設計中，這是一個缺點。因此，工程師們正在轉向集成無損電流感測電路，該電路將SenseFET內置到GaN器件的結構中。

圖4：離散GaN電路中對電流檢測電阻的需求是一個挑戰。為了引起快速的環路響應，必須增加電阻以產生足夠的電壓降，以使電流感測電路具有較強的偏置能力。在上面的簡化示意圖中，電阻值是實際參考設計所規定的值。

如果不加以調節，快速開關轉換將在電路中產生嚴重的噪聲問題。跡線電感和開關電容的結合會在開關事件期間引起高頻振鈴，從而在電路工作中引起噪聲問題。對于GaN開關，通過布局和GaN集成相結合，通過減小開關環路（和次級整流器環路，在變壓器中表現為“額外”泄漏電感）的尺寸來減小寄生電感。圖5顯示了有助于GaN開關電路振鈴的電路元件。

圖5：在過渡期間有助于開關振蕩的元素。注意變壓器匝數比放大的次級走線電感對初級漏感的貢獻

除了控制環路電感之外，還必須考慮適當地確定柵極驅動電路的尺寸，功率開關的尺寸和柵極電荷特性。為了減少交叉損耗（柵極電壓和電流），需要柵極過渡。降低EMI變化率受柵極電阻和驅動源極/吸收電流組合的限制，這應與GaN器件相匹配。圖6比較了大小合適的柵極驅動器的GaN和Si開關的躍遷速率。

圖6：使用相同的變壓器和布局方法進行類似設計的Si截止與GaN截止的比較。請注意，GaN器件具有更明確的關斷特性，可迅速克服Miller電容和相關的柵極電荷以關斷器件。

驅動功率FET時，還需要考慮其他幾個方面。啟動過程中如何控制常開GaN結構；將硅開關中的漏極電壓過高引起的擊穿和雪崩與GaN器件中更魯棒的參數移位現象進行了比較；優化開關頻率并在變壓器尺寸與較小的熱限制體積之間進行權衡取舍；可編程電源轉換以及USB PD和PPS對電路效率的限制。

編輯：hfy