eGaN® FET功率转换日益增长的生态系统

日期:2018-07-02

 
作者:Edward A. Jones博士,高级应用工程Michael de Rooij博士,用工程副裁;David Reusch博士,用工程总监Efficient Power Conversion Corporation
 
 
 
本文述了基于GaN转换器关元件不断增的生。在开更快、更好、更小的eGaN FET继续取得迅速展的同,周的生也在推,以足新的需求。关元件包括栅极驱动器、控制器和无源元件。
 

近年来,由于eGaN FET优于传统硅晶体管的固有优点,基于GaN的功率转换已经越来越普及。将转换器设计从硅迁移到GaN提供了许多系统级的改进,这需要考虑该系统中的所有的元件。这一趋势随后刺激了支持基于GaN设计的电力电子元件生态系统的增长。
eGaN FET功率转换系统可提供比硅基替代方案更高的效率、功率密度和更低的整体系统成本优势。这推动了对支持这些先进系统的栅极驱动器、控制器和无源元件的全面生态系统的需求。在过去的几年中,这些元件的市场可用性激增,其规格非常适合于eGaN FET,并且许多设计可专门用于支持基于GaN的转换系统。
 
eGaN FET功率转换统综
eGaN FET的特性已经开始改变功率转换器的场景,可以实现比其较慢、较笨重的硅前辈更高频率的操作和更高的密度配置。新兴的基于GaN的转换器例子是6.78 MHz无线功率放大器、包络跟踪电源、飞行时间激光雷达系统和高频DC-DC转换器。这些应用中的每一个都对支持元件有独特的特性和设计要求,但大多数这些要求只适用于一般基于GaN的功率转换。
一种流行的转换器是同步降压转换器,它将作为进一步讨论eGaN生态系统的基础。其他应用的一些具体要求也将随后被提及。
图1显示了一个有构建模块组成周围系统的典型同步降压转换器。这些构建模块包括有信号隔离或电平转换的栅极驱动器、控制器、旁路电容器和输出滤波电感器。对这些构建模块的要求部分地由eGaN FET的特性来驱动,即:占位面积小、快速开关、严紧的栅极电压要求和高频率能力。每个构建模块都必须满足某些要求,以有效地支持eGaN FET功率转换系统。
 

1:典型同步GaN压转换器的构建模
 
扩展的eGaN FET生态系统被分为三大类:栅极驱动器IC、控制器和无源元件。这些元件必须可靠地支持eGaN FET并提高其性能。它们还必须提供一个具有成本效益的解决方案,并易于纳入到设计当中。
 
针对eGaN FET栅极驱动IC
对于基于eGaN FET的转换器来说,最重要的是支持IC。在图2中显示了一些适用于eGaN FET的栅极驱动器的例子。这些IC必须能够在高于传统MOSFET的频率下工作,同时暴露于更高的转换率。此外,它们必须满足eGaN FET的严紧电压要求,同时提供必要的驱动强度,以实现快速导通和关断速度。驱动强度的特点是源/汇电阻和峰值电流,再加上驱动器的输出电压的上升和下降时间。
 

2:栅极驱动选择的例子,示了eGaN FET的相比例[6]  
 
在半桥电路中,例如图1中描述的电路,高侧器件的栅极驱动器以开关节点为基准,在开关转换期间经历高转换率。因此,要使用电平转换器或信号隔离器将高侧驱动器与地隔离。隔离势垒必须能够承受开关节点上的高电压转换率,eGaN FET的电压转换率通常超过50 V/ns,并且常常达到高于100 V/ns。这种功能特点就是共模瞬态免疫(CMTI)。如果开关节点上的电压转换率超过了CMTI,则这种隔离势垒可能发生故障,并导致虚假开关事件发生。
半桥驱动器包括同一IC封装内的隔离器或电平转换器,因此它可以在半桥拓扑结构中同时驱动高侧和低侧FET。表1列出了一些与eGaN FET兼容的半桥。最近,随着CMTI达到200 V/ns或更高,如德州仪器LMG1210和Silicon Labs的Si827x的推出,栅极驱动器已可供使用。表2列出了非隔离式栅极驱动器,适用于除半桥梁拓扑结构之外应用的eGaN FET。通过与分立式隔离器配对(如Analog Devices的ADuM1xx和ADuM2xx、Silicon Labs的Si86xxxT,以及来自德州仪器的ISO7821F),这些驱动器也可用于驱动高侧器件。
 
1用于eGaN FET栅极驱动IC
制造商/器件号 工作电压V 最小脉冲ns CMTIV/ns 分割 举电压管理  
Analog AduM4120/1 1092 V 50 150 高电压
Freebird
FBS-GAM02P-C-PSE,
FBS-GAM02P-R-PSE
50 未提及 未提及 抗航天辐射
pSemi PE29101 100 2 未提及 高频率达33 MHz
pSemi PE29102 100 2.8 未提及 高频率达33 MHz
Silicon Labs Si8273/4/5 630 未提及 200 高电压
TI LMG1210 200 1.8 300 通用
< 200V
TI LM5113-Q1 100 10 50 汽车认证
TI LMG1205 ** 100 10 50 通用
< 100V
uPI uP1966A ** 80 未提及 未提及 通用
< 100V
** 封装兼容
 
2用于eGaN FET非隔离式栅极驱动IC
制造商/器件号 上升/下降时间ns /汇电Ω 最小脉冲ns 分割  
Freebird
FBS-GAM01P-R-PSE
7/7 2.5/2.5 未提及 抗航天辐射
IXYS IXD604 9/8 1.3/1.1 未提及 双路输出——用于大型FET
IXYS IX4340 7/7 1.0/0.6 未提及 双路输出——用于大型FET
Renesas ISL70040SEH, ISL73040SEH 5.5/4.0 0.5/1.7 未提及 抗航天辐射
TI LMG1020 0.4/0.4 未提及 1 为激光雷达、高频、高转换比提供非常窄的脉冲
TI LM5114 12/3 2.2/0.3 未提及 通用
TI UCC27611 5/5 1/0.35 未提及 通用
uPI uP1964 6.7/3.9 2/0.5 未提及 通用
 
为了有效地驱动eGaN FET,栅极驱动器必须满足或超过下列关键参数:
·         与eGaN FET的5 V栅极要求兼容的UVLO
·         低寄生封装和占位面积,以确保布局的最大性能[8]
·         足够高的驱动强度:上升和下降时间通常小于10 ns,源和汇电阻通常小于2Ω,峰值源/汇电流通常大于1 A
·         最小CMTI大于50 V/ns,甚至比一些eGaN FET和应用所需的更高
·         低传播延迟失配/偏差通常小于10 ns,这对于减少死区时间和确保高频控制稳定性至关重要
·         低最小脉冲宽度,对高转换比和双沿触发激光雷达应用特别重要
 
eGaN驱动器的其他增值功能包括
·         针对不对称电阻调整的上拉/下拉输出,这对于具有较高米勒比的器件尤为重要
·         一个集成的自举二极管具有零或极低反向恢复电荷和良好的电容,这对于高压和高频应用至关重要[9]
·         自举电压调节或有源箝位,以防止高侧栅极过电压[10]
·         击穿保护和/或死区时间管理
·         增强抗干扰性的集成去毛刺功能
·         抗航空航天应用的辐射
最近,eGaN栅极驱动器已经开始与不同厂商之间直接占位面积兼容。这方面的一个例子是德州仪器的LMG1205和uPI Semiconductor的uP1966A栅极驱动器。这为客户打开了第二供货源和设计灵活性的大门。
 
控制器
由于eGaN FET将转换器推向了更高频率,控制器需要在MHz范围内工作。对高频率转换器更高控制带宽和更严格稳压的后续期望为控制器带来了额外的要求。受eGaN FET特性影响的其他控制器功能包括反馈放大器、死区时间管理和短路保护。许多控制器还包括一个栅极驱动器级,它必须满足前面提到的相同栅极驱动器要求。
每个模拟控制器都是针对特定范围的应用而设计的。例如,表3列出了针对同步整流和同步降压应用的一些eGaN兼容控制器。
模拟控制器的关键增值功能包括
·         电流感应和反馈控制
·         自适应死区管理,以最小化反向传导损耗[12]
·         跳脉冲或突发模式(用于改善轻载操作)
·         过电流/短路保护
数字控制器也适用于许多eGaN应用,例如多相和多级体系结构。用于eGaN的数字信号处理器(DSP)必须具有足够的时钟频率和处理能力,同时还提供足够的模拟/PWM输出和数字I/O来支持所需的控制功能。合适的例子包括Microchip的PIC系列和TI的Delfino和Piccolo系列。
 
3:适合eGaN FET的控制器
制造商/器件号 Type
ON Semi NCP4305/8 模拟 同步整流器
NXP’s TEA1993/5/8 模拟 同步整流器
Analog Devices LTC7800 模拟 同步降压
Microchip MIC2103/4, MIC2127A 模拟 同步降压
Renesas ISL8117A 模拟 同步降压
TI LM5140, TPS40400 模拟 同步降压
Microchip PIC series 数字 通用
Texas Instruments Delfino, Piccolo 数字 通用
 
无源元件
基于GaN的转换器工作频率越高,就意味着必须为更高的频率优选无源元件。在GaN的支持方面有两种类型无源元件有了进展,即电感器和电容器。
GaN转换器性能中的一个关键度量是功率密度,包括输入和输出滤波器。在一个系统中,无源滤波元件往往是最大和最高损耗的元件。这往往成为eGaN FET功率级高功率密度的限制因素。实现高功率密度和高效率需要一个具有高频率和电流能力的小电感器。重要的电感参数包括低串联电阻(ESR),以最小化传导损耗、低铁损和低寄生电容。基于GaN的转换器的合适输出电感器的一个例子是Vishay的IHLP系列,它可用于eGaN FET演示板EPC9204、EPC9205和几个无线通信接口。
适当的电容器选择也很重要,特别是对于跨半桥的旁路/去耦电容器。eGaN FET的超快寄生速度可导致非常高的电流转换率(did/dt),并且电源回路电感必须最小化,以限制电压尖峰(Lloop did/dt)。为了最小化严重依赖于旁路电容器组的Lloop,必须提供足够的电容和额定电压来支持开关瞬态,同时还可保持小的占位面积和低的寄生电感(ESL)。满足这些标准的合适的陶瓷电容器可从多家供应商获得,以支持eGaN设计。典型例子包括0402、0603或0805占位面积,温度系数为X7R或X7S。
 
eGaN FET功率转换示例:EPC9130
不断增长的GaN生态系统为eGaN FET、栅极驱动器、隔离器、控制器和无源元件提供了丰富的选择。如果选择适当,这些元件可以共同工作,以实现优于传统替代方案的整体系统级优势。这些好处最清楚地表现在功率密度和效率方面。
一个很好的例子是五相同步降压转换器开发板EPC9130,如图3所示。这个48 V至12 V转换器包括五个并联配置的相同的eGaN功率级,它们由闭环稳压管理均流的单个DSP来控制。EPC9130实现了大于1000 W/in3的惊人功率密度,效率高于96%,材料成本仅为每瓦特6美分。五相设计使得这个转换器易于扩展,以满足广泛的系统需求。
在这个设计中,关键元件包括EPC2045 GeN5 eGaN FET、uPI Semiconductor的uP1966A半桥栅极驱动器、Vishay IHLP系列电感器、TDK的陶瓷电容器,以及Microchip的PIC数字控制器。图3描述了突出显示这些元件的EPC9130开发板,表4列出了其物料清单(BOM)。
 

3:使用EPC2045 eGaN FETEPC9130,48 V2 V 5稳压IBC
 
制造商 器件 描述 数量
EPC EPC2045 eGaN FET 10
uPI Semiconductor uP1966A 栅极驱动器 5
Microchip DSPIC33EP128GS704-E/ML 数字控制器 1
Microchip MCP1703T-5002E/MC LDO稳压器 1
Microchip MCP1703T-3302E/MC LDO稳压器 1
Vishay IHLP5050EZER3R3M01 输出电感器 5
TDK C2012X7S2A105M125AB 输入电容器 20
TDK C2012X5R1E226M125AC 输出电容器 20
Various Various 其他电容器 44
Various Various 电阻器 41
Linear Technology LT6105 电流传感器 5
Microchip TC1047AVNBTR 温度传感器 1
Murata BLM18PG181SN1D 铁氧体磁珠 2
APEM MA12RTR 滑动开关 1
Various Various 连接器 16
 
49130 EPC板的物料清
 
结论
随着eGaN FET继续变得更小和更快,支持元件的周围生态系统对其广泛采用越来越重要。这个生态系统不再是基于GaN设计的一个限制因素,而客户也有了越来越多的选择。走向GaN从未如此简单或如此有效,这一进程在以前所未有的速度继续着。
 
EPC(Efficient Power Conversion)
http://epc-co.com
 
 
 

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