GaN 产品应用于可靠和高密度电源的设计

大家好 我叫 Fu Lixing 目前是 TI 的系统和应用工程师 今天很高兴有机会能和大家一起讨论 我的话题是 GaN 产品应用于可靠和高密度电源的设计 今天的讨论中 我会向大家首先介绍一些关于 氮化镓功率器件的基本知识以及对比 其次我们会介绍 有关于氮化镓的两个基本参考设计 第一个是 99% 效率 的 1kW PFC 第一个是 99% 效率 的 1kW PFC 第二个是一个 97.6% 效率的 1MHz 开关的 LLC DC/DC 变换器 这里是我们今天讨论的大纲 首先我们会介绍一些 有关于氮化镓的基本特点 然后我们会进一步介绍 如何利用氮化镓产品进行半桥的设计 其次我们会深入到细节去看 我们能够如何设计一个 具有 99% 效率的 PFC 电路 最后我们会针对 LLC 变换器 做一些详细的介绍 近些年来我们发现 市场对高密度电源具有很大的需求 我们看到很多在 AI 人工智能 数据处理和存储 通信和工业自动化方面 对于电源要求的增加 它们都需要更高效和更高密度的电源 比如说在 2014 年 仅仅美国的计算机数据中心 就消耗了 700 亿千瓦时的电能 并且这个数字一直在增长 根据博克来实验室目前的预计 从 2010 年到 2020 年 全球服务器的数量会增加 40% 而所有的这些 都是需要高密度电源作为支持的 针对目前的这些市场需求 氮化镓产品提供了 大幅度提升功率密度的可能性 比如说这是一个 从 230V 交流电到 1V 直流电的应用 它可以作为我们 氮化镓应用于高功率密度电源的一个范例 从 PFC 电源 AC 到 DC 的转换 到 LLC DC/DC 变换器 最后到 48V-1V 的转换 我们都利用氮化镓 实现了非常高的功率密度 与传统的硅器件相比 氮化镓产品具有很多的优势 而这些优势 使得氮化镓能够很好地被应用于 硬开关和软开关为主的电力电子拓扑中 首先 氮化镓器件具有更小的寄生电容 更小的门极电容能够使得 开通和关断的速度更快 同时减小门极的损耗 而更小的输出电容 能够降低硬开关中的损耗 而且可以帮助提高开关频率 降低软开关中产生零电压开关 所需要的反向电流 另外氮化镓产品还具有更小的导通电阻 这样可以帮助降低导通损耗 最后氮化镓产品由于不存在体二极管 所以没有反向恢复电流 这就大大帮助降低了开关中的损耗 以及开通过程中电路里的振荡 所以也能够帮助减小 EMI 由于氮化镓产品更小的寄生电容 以及更小的导通电阻 我们可以看到 氮化镓可以被应用于更高频的开关中 随着频率的上升 氮化镓产品的开关损耗上升 会比硅器件小很多 因此高频和高密度电源成为了可能 这里我想向大家介绍一下 氮化镓产品的应用范围 现阶段传统的硅器件 一般最高运行在 1MHz 左右的小功率 在 1kW 以及以上的功率 一般最后运行在 100-200kHz 而在更高的功率中主要是 IGBT 的应用 随着宽禁带产品的出现 碳化硅主要被应用于 更高功率以及更高电压的场合 而氮化镓主要应用于 100kHz 到 10M 的开关频率 而功率可以从几瓦到几千瓦不等 这里我们还有一些 关于氮化镓产品应用的简单的介绍 我们可以看到 目前氮化镓产品 被广泛的应用于各个不同的领域 比如可再生能源 以及服务器和通信的电源 同时氮化镓也被应用于消费电子中的电源 而在工业应用上 我们有广泛的应用在电机驱动 医疗电源 自动化设备等等 同时我们也有一些新兴的市场 比如武器通信电源 以及用于自动驾驶的激光雷达 在这些新兴的市场中 非常快的开关速度和很高的频率 是一个必备的条件 而这也是传统的硅器件所不具备的性能 氮化镓产品固然具有很多的优点 但是目前如何使用和驱动氮化镓 却带来了一些挑战 最传统的办法 是使用分离的驱动芯片去驱动氮化镓 但是这样会给我们的应用带来一些问题 我们可以看到 传统的芯片具有很多的杂散电感 以及我们 PCB 上也有很多的杂散电感 这些电感加在一起会导致 我们在开关过程中在门极上有很大的振荡 这些门极的振荡 最后会使我们的开关产生更多的损耗 最后会使我们的开关产生更多的损耗 以及更多的 EMI 问题 最后它甚至会给我们带来一些 可靠性的问题 比如说门极上的过压 特别在高频开关的时候 这些问题表现得尤为明显 那么有没有什么办法能够 使我们找到一个更好的解决方案呢 为了追求最好的系统表现 在一个封装内集成驱动和 GaN FET 就成了最好的办法 我们可以看到在这个电路中 当我们集成驱动和 GaN FET 在芯片内部就可以把寄生电感做到最小 而由门极驱动和主回路耦合的电感 可以几乎被去除 这样我们可以得到 非常干净的门极驱动波形 开关中主回路的振荡也会被大大地减小 而 TI 的氮化镓器件就采取了这样的办法 来追求最好的系统表现 基于我们以上的讨论 目前 TI 推出了 它的第一款氮化镓产品 LMG3410 这款产品是一个 600V 12A 70 毫欧的 Power Stage 它集成了驱动 保护 以及氮化镓产品在一个封装内 由于集成了驱动 用户在使用的时候 没有太多驱动上的布线的挑战 仅仅一个 12V 的偏置电源 和一个 PWM 信号我们就可以驱动它了 现在让我们看看它的基本功能 首先 我们的产品可以在 100 纳秒之内 做到过流保护 这样的快速动作很好的保障了 GaN FET 的可靠性以及安全性 其次我们的产品还具有过温保护 以及驱动电压不足的保护 当这些保护动作之后 它们也会传递一个报错的信号 给我们的控制器以保证整个系统的安全 这款产品同时还内置一个 5V 的 LDO 可以给隔离芯片的二次侧供电 同时我们还具有调节开关速度的功能 我们仅仅需要一个简单的电阻 就可以轻松地将开关速度 从 30V/ns 调节到 100V/ns 为了让用户更好的评估我们产品的效果 我们提供了这个半桥评估模块 LMG3410-HB-EVM 我们可以看到这个评估模块 有两个 LMG3410 芯片形成一个半桥 我们也提供了隔离电源以及信号隔离芯片 整个功率回路的布线是非常紧凑的 我们在布线的时候尽最大的可能 去减少主回路中的杂散电感 以及开关节点 Switch node 和 DC 母线的重叠 这里我们可以看一个开关波形的实例 在这个开关波形中电压从 0V 到 400V 仅仅用了不到 5 个纳秒的时间 我们的开关速度也达到了 102V/ns 与此同时我们的过冲电压不超过 25V 这都得益于我们的 PCB 布线经验 以及驱动在芯片内部的集成 下一步我们会继续介绍如何设计这个半桥 现在我们可以看到这个半桥设计的范例 首先我们可以看到在主回路的设计中 我们尽最大的可能 减少整个回路的杂散电感 在布线上杂散电感中的能量 可以从左往右地 通过这个半桥回到直流电容 而在下一层 返回回路会通过过孔 从最靠近上层的铜皮返回 这样可以帮助我们实现最好的耦合 电流在两个很临近的 PCB 层面上反向通过 可以帮助我们减小磁场最后减小电感 这样的设计最后会导致很小的过冲 以及干净无振荡的波形 另外有一点很重要的 就是要尽量减小 Switch node 开关节点和母线的重叠 因为在这个重叠上 它会增加从 Switch node 到上管或者下管的寄生电容 从而在硬开关中增加我们的损耗 在这个图中我们圈出了 在我们的设计上的重叠面积 我们仅仅产生了 50 平方毫米的重叠面积 以及最小 17 个 pF 的寄生电容 这就很好的帮助我们降低了在电路中 特别是高频的应用中 输出电容所导致的损耗 在我们的设计中 上管的信号和供电的地 通常就是 Switch node 开关节点 因此一直在高频的变化 而且在很快的 dv/dt 可以给我们带来共模的干扰 对于信号我们使用了 一个高压的数字隔离芯片 数字隔离技术具有最小的原副边共模电容 以及最小的传导延迟时间 在 PCB 的设计中 我们也需要尽量的减少 从原边到副边的耦合 尽可能的将原副边的铜皮隔离开 可以帮助减少共模电容 对于上管的供电 如果我们使用的是自举电路 我们一定要注意自举二极管的反向恢复 它会增加电路的损耗以及限制脉冲的宽度 通常快速恢复或者碳化硅的二极管 在此是比较推荐的 在此是比较推荐的 另外整个自举电路的布线最好要小 如果上管的供电使用的是隔离电源 我们一定要注意选择原副边耦合小的电源 否则共模噪声会很大 最后污染控制侧的信号地 我们也可以利用添加共模电感的办法 来抑制共模噪声 与此同时我们的芯片是一个底部散热的构造 下面就让我们来看看 如何设计一个半桥的散热 对于芯片的散热 我们通常需要在 PCB 的另一侧 选择比较好的导热材料我们称之为 TIM 以及合适的散热器 在我们不同的设计中我们选用了两种材料 来实现比较低的热阻以及很好的绝缘 也就是我们的 Bondply-100 和 HF-300P 两种材料 与此同时我们可以根据 我们所需要的功率密度选择散热器 有条件的话我们可以通过焊接的办法 直接跳过导热材料将散热器分别焊上 这样可以帮助我们实现更小的热阻 这里我们有一些实际测得的热阻信息 另外对于氮化镓器件 良好的底部到散热器导热也是非常重要的 为了实现很好的热传导 在布线的时候我们有几个推荐 首先 铜是很好的热导体 因此在芯片的底部覆铜的面积 首先应该超过整个芯片散热片的面积 其次 铜皮的厚度最好要超过 2oz 第三 由于 PCB 本身的热阻较大 因此我们推荐最好选择 比较薄的 PCB 材料来散热 通常我们推荐 32 个 mil 的厚度 来达到比较好的效果 第四 请最好给我们的导热的过孔 以灌铜来实现最好的热传导 最后在不影响整个回路的过程中 请尽可能的增加过孔的数量 我们发现每个过孔的热阻 大概是 76.2 摄氏度每瓦 因此在我们的设计中 我们使用了大概 39 个过孔 从而实现了 1.95 摄氏度每瓦的热阻 在介绍完这么多关于氮化镓的基本信息 以及如何设计一个半桥之后 让我们来看一看 如何设计一个 99% 效率的 PFC 现在的服务器 通信 和工业前端电源 通常具有 EMI 滤波器 PFC 以及 DC/DC 变换器这么几级 PFC 的设计对于整个系统效率 是非常关键的 传统的基于硅的设计 通常采用的是有桥的 PFC 但是这样的设计效率并不高 于是现在有很多的设计 采用了双 boost 电路的设计 这样的设计可以实现无整流桥 避免了整流过程中的损耗 它的热量损耗 也不会集中在少数的器件上 也有比较好的 EMI 表现 但是同时这也带来了一些问题 因为这么多器件的使用 整个系统的效率并不会太高 而太多的元件会导致功率密度很低 而太多的元件会导致功率密度很低 图腾柱 PFC 很好的解决了这样的应用 它实现了最少的器件数量 同时也能提高系统效率 在图腾柱的 PFC 中 一个半桥上下两个管子 会轮流作整流管使用 它们会各占半个周期 而作为整流管传统的硅器件 很难以避免反向恢复的问题 进而导致效率很低 所以这个拓扑在硅器件流行的时期 并没有得到广泛的应用 现在利用氮化镓产品 没有反向恢复的特性 图腾柱 PFC 就能够很好的被利用 并且同时实现非常高的效率 现在我们可以来看一下 基于氮化镓的图腾柱 PFC 以及其它拓扑的比较 我们利用了以下的一些公式 来计算电路中的损耗 在这里呢 我们也有一些各种器件 EOSS 的比较 我们可以看到由于图腾柱 PFC 的使用 我们没有了任何的二极管 因此我们的导通损耗会降低 而由于氮化镓产品比较小的输出电容 在相同的开关频率下 我们的损耗在 COSS 上 会明显得小于其它的器件 最重要的是 氮化镓器件有非常快的开关特性 这也导致了从开关损耗上 氮化镓产品会明显的小于其它器件 最后我们可以看一下总体损耗的对比 基于氮化镓的图腾柱 PFC 它的损耗是会远远的小于其它拓扑的 这里我们可以看到我们样机 PFC 的图片 这个 PFC 我们的输入电压 可以是 85-264V AC 在 220V 输入的时候 我们可以达到 1kW 的功率 而电路的输出电压是 385V 我们通常在 100-140kHz 来开关这个 PFC 在图片中这个是我们的 氮化镓产品的评估半桥 这里是我们的电感 这个电路目前已经实现了 156W 每立方英寸的功率密度 这个数字是一般 PFC 功率密度的两倍 我们目前的氮化镓产品是 600伏70毫欧 根据这个产品的散热情况 我们可以利用它轻松的实现 1-1.5kW 的 PFC 功率电路设计 现在我们可以来看一些基本的计算 对于导通和死区损耗 如果我们的设计 是基于传统的 TIM 和散热器 我们会大约有 1.78W 的损耗 如果我们可以直接将散热器焊在板子上 导通损耗可以降至 1.52W 因为器件的温度可以更低 对于开通开关损耗 由于我们使用了集成驱动的氮化镓器件 相比离散的器件它具有更快的开关速度 可以轻松的达到 100V/ns 那么这样在 1kW 的功率时 我们可以把开关损耗 控制在 0.95W 的样子 而如果像一般的离散器件大约是 50V/ns 我们的开关损耗会加倍变成 1.9W 由于氮化镓器件不存在任何的反向恢复 因此我们没有任何的反向恢复损耗在这里 因此我们没有任何的反向恢复损耗在这里 对于这个 PFC 目前我们使用了 UCD3138 芯片来实现快速的控制 这样的好处是可以把很多控制算法 集成在芯片的硬件上简化计算 帮助我们提升 THD 和功率因数 达到最好的控制效果 与此同时氮化镓器件因为没有体二极管 所以它的反向压降是比较大的 但是利用数字控制 我们可以通过实时计算 实现最好的死区优化时间 通常对于器件开通时硬开关 也就是 dv/dt 快的电压变化 我们可以使用最短的死区时间 而对于器件关断时 由于输出电容和电感电流谐振 产生的 dv/dt 的过程 我们利用这个公式来推导我们的死区时间 优化我们的设计 在我们的设计中 我们使用的是环形的直流电感 对于氮化镓这样非常快的 dv/dt 和带宽 我们很容易看到 由于电感的杂散电容产生的的振荡 在这个比较中我们对于电感的绕组 做了不同程度的处理 我们可以看到一层绕组 两层绕组 和一层两层绕组混合的情况 在左边的情况 当我们使用两层绕组电感的时候 由于绕组之间的电容比较大 产生的振荡也就比较大 这样根据这样的电流 我们会发现电感的 AC 损耗增加 导致效率的降低 当我们使用一层电感的时候 我们会发现寄生电容大大的减少了 电感电路的波形也因此变得比较干净 没有任何高频的振荡 但是这样做的问题是 电板的成本会增加多一些 而且体积也会有相应的增加 在这个设计中我们选取了折中的办法 采用一层和两层混合的电感绕组设计 这样产生的电流振荡不会太大 始终在于我们可以接受的范围内 同时我们也不会看到 太大的 EMI 和效率问题 这里是我们电感和 EMI 滤波器 设计的一些参数 电感中我们需要选择磁芯损耗比较低 和磁场强度比较高的材料 在 EMI 滤波器中 我们需要选择比较粗的导线 避免很大的直流损耗 我们可以看到在我们的电感设计中 我们大概有 1.65W 左右的磁芯损耗 以及 1.2W 左右的铜损 而 EMI 滤波器 会给我们 0.4W 左右的损耗 与此同时因为我们这个电路 是单相的 PFC 电路 所以电路中会产生很多的低频纹波 大概是 100 或者 120Hz 因此选择合适的容值 以及比较小的 ESR 也是很重要的 在这个设计中 为了满足纹波和电压保持时间的要求 我们选择了 560uF 的电容 下表我们计算了根据不同的 ESR 我们可以得到的电容损耗 我们可以看出由于 ESR 不同 电路的损耗最多会相差将近 0.4W 这里是一个关于我们电路损耗的总列表 我们可以看到经过我们对于电路设计的优化 最后我们可以实现少于 10W 的电路总损耗 因为这个原因我们的电路在 230V 交流输入的情况下 当我们的功率超过 600W 之后 我们基本上可以实现 99% 的效率 我们的开关频率在这里是 100kHz 与此同时我们也达到了非常高的功率因数 以及很低的 THD 这里是我们的一些网侧电压 和输入电流的波形 我们也可以看到当我们 进一步提升开关频率到 140kHz 之后 电流的波形会变得更好 电流的波形会变得更好 在讨论完 99% 效率的 PFC 电路之后 让我们来看一看如何使用氮化镓器件 去实现 1MHz 开关的 LLC 变换器 LLC 变换器已经被 非常广泛的应用在电源的设计中 提供 400V 到 48/12V 的转换 这里是一个 LLC 变换器的基本结构 它是一个隔离的电源 中间有一个变压器 在 LLC 电路中由于串联的谐振电容 和变压器的漏感和互感的谐振 电路可以实现 在整个负载范围内的软开关 以及比较低的关断电流 全范围软开关的实现 使得电路的效率大大提升 与此同时在设计的时候 我们可以将原副边的电感以及互感 全部集成在一起来实现很高的功率密度 氮化镓器件其实是很适合 应用在高频高效率的 LLC 变换器中的 首先 氮化镓器件有非常低的输出电容 这样可以帮助我们进一步减少死区时间 从而增加电流传递能量到输出的时间比例 而很低的输出电容 同时也会增加我们设计时的互感 减少为了实现软开关所需要的循环电流 由于这样的设计 对变压器的边际效应也会相应的减小 其次 氮化镓器件的应用 会使得在高频的情况下 显著减少门极驱动的损耗 第三 我们可以看到因为以上提到的两点 氮化镓器件很容易让我们做到 高频的 LLC 电路 以及最后实现非常高的功率密度 那么下一步就让我们来看一看 如何设计一个 基于氮化镓器件的 1MHz 的 LLC 变换器 在这里我们可以看到 我们设计的 1MHz 氮化镓 LLC 的样机 这个样机也利用了 我们所说的 LMG3410 的评估模块 这个电路的输入电压是 380-400V 输出电压是 48V 由于频率的提升在我们的设计中 我们已经做到了 每立方英寸 140W 的功率密度 这是远远高于了 普通硅器件设计的 LLC 电路的 与此同时我们的效率最高 可以达到 97.5% 这个设计的一个核心 就是高频变压器的设计 那么接下来就让我们来看看 如何设计这个高频变压器 由于我们的变压器工作在 1MHz 的频率 相比传统的 100kHz 的变压器 它的体积会有很大的减小 在我们的比较下我们会发现 不论是重量还是体积 相比传统的变压器我们都减小了六倍 这个集成的变压器总共有四个绕组 每个绕组都是 1:1 的匝数比 在电路的原边我们将四个绕组串联起来 而在副边四个绕组采用并联的方式 来输出 48V 的电压 所以这样等效的 我们可以得到一个 4:1 的匝比 这个设计的一个很重要的做法 就是将副边二次侧的绕组和同步整流管 以及输出的电容结合起来 这样的话整流管和绕组贴合得非常紧密 我们就避免了绕组出来端口的 1MHz 情况下很大的 AC 电阻 在我们的绕组设计中我们可以看到 这个横着的八字形实际上是使用了 U 型磁芯的两个腿 这样我们就可以有效的利用磁场的面积 将有效磁场的面积变成之前的两倍 从而达到更小的磁芯尺寸 和更高的功率密度 我们的原边和副边绕组的设计都是两层 在八字形的交叉口 我们可以看到正向和反向的电流互相垂直 并且流入不同的铜层 但是两层的绕组实际是并行 这样可以更好的让我们利用铜皮的空间 对于二次侧的绕组 我们的同步整流管和输出电容 紧密的在变压器的输出层 输出侧我们用的是 EPC 的 2034 GaN FET 由于很小的封装体积 我们的两层设计能够很好地帮助散热 避免很大的温升 就是因为这样优化过的变压器设计 以及系统的集成 我们才能做到大的功率密度 以及非常高的效率 在这一页中让我们来看一看我们设计的 LLC 变换器的一些关键波形 通过变压器的优化设计 在 LLC 的运行过程中 我们上升和下降的死区时间 只有 115 个纳秒 LMG3410 的死区时间 我们也是通过 UCD3138 控制器来优化的 这样可以帮助我们 减少第三象限的导通时间降低损耗 在二次侧我们希望在最快的时间内 开通整流管 我们利用了 UCD7138 整流管驱动 来实现这个功能 在这个情况下我们可以在 电流导通 30 个纳秒之内开通整流管 基于这些设计相比起传统的硅元件 氮化镓器件可以显著地 帮助我们减少 LLC 电路的损耗 在介绍完我们氮化镓的 PFC 和 LLC 电路之后 让我们来总结一下今天的讨论 首先 氮化镓器件 作为一个新型的半导体器件 可以帮助我们提供一些以前从未有过的 功率电路设计方案 和传统的方案相比这些设计 使得我们能够达到更高的效率和功率密度 其次 由于氮化镓器件和驱动的集成 它给我们提供了一个 更加可靠的优化解决方案 使得我们的设计更加简单 电路运行更加稳定 再次 利用氮化镓器件我们给大家展示了 99% 效率的 1kW PFC 电路设计 与此同时我们也实现了 1MHz 的 LLC 电路设计 并且达到了六倍的尺寸和重量的减少 最后 欢迎大家去 ti.com/gan 来找到更多的资源 谢谢