如何使用 GaN 设计可靠、高密度的电源解决方案

Hello 大家好我叫付力行 目前是德州仪器在美国氮化镓产品线系统工程师 很高兴今天有时间和大家一起讨论今天我给大家讨论的主题是 氮化镓产品在现实中应用及如何能够实现可靠及高功率密度电源解决方案 那么这今天的演讲中我们会看到以下几个话题 首先有一个关于氮化镓的简单介绍 也就是如何能够利用氮化镓实现更大的功率密度以及更好的效率 能够帮助我们的客户在未来的更有挑战性的电源解决方案中脱颖而出 其次 我们会看到关于我们TI氮化镓产品我们有哪些特点以及为什么 我们做驱动和管子集成以及如何利用它实现好可靠性以及好的系统表现 那最后我们也会花一些时间了解目前的氮化镓产品在工业中有哪些应用 以及我们可以用它实现哪些电路的一些细节 那么对于这个主题呢 目前在TI我们是有几款产品 首先主要是 LMG3410和 LMG3411这个产品的家族 有不同的一些导通电阻 其次我们也有一个80伏的power stage. 是我们的LMG 5200 是一个 那么等会我们也都会谈到 那么接下来那我们就来看一看我们为什么要使用氮化镓产品 其实我们很多的工程师我相信已经知道了 氮化镓产品其实被誉为工业元件的未来 那么氮化镓产品其实在今天呢已经慢慢发展成熟了 而且已经赶超硅器件的态势 目前来看 氮化镓产品能够帮助实现至少是普通硅器件能实现功率密度两倍 那么这就是很好的效率以及很大的密度 能够帮我们找到最好的电源产品 目前呢我们TI的氮化镓产品比如说LMG520 3410 2070 这些产品有中压和高压的 都进入了量产期 经过TI的可靠性和各方面的认证 也已经服务了很多的客户这些产品来说呢 不但能够帮我们实现更小的尺寸以及更高的效率 同时我们在系统整个系统的成本上也得到了很好的控制 这是因为当我们使用氮化镓产品同时我们能够有效降低系统其他部分成本 比如说磁性元件 电容其它的半导体器件的成本 而且我们可以实现更好更优良的拓扑 这样的话那就给我们大大的 减小了我们的成本以及实现了很好的功率密度 那么接下来就让我们看一看有关于氮化镓产品的一些细节 这里呢 我们有一个例子是我们氮化镓产品 从高压到低压的一个范例 那我们可以看到 目前我们有一个230伏的交流电 最后我们通过氮化镓整体一个解决问题 我们有能力实现一个a c到D C 一个高压DC到低压DC 以及最后的DC到AC 实现电机马达驱动的一个完整的解决方案 我们会看到 在左边我们是有一个crm的pfc 而也就是临界模式 critical command pfc电路. 这个电路能够帮我们实现全软开关 由于氮化镓产品它有非常小的coss 所以我们开关过程中 所需要实现软开关的电流也非常小 而且开关速度非常快 这样我们能够实现高频的应用 这整个电路它的功率密度已经达到了250瓦每立方英寸 是非常高的一个解决方案那么除了pfc外呢 我们中间的是一个LLF电路 这个电路同样也是在1兆赫兹的开关频率 我们可以看到 当我们1兆开关时候磁性元件实现了非常大的减少 磁性元件的效率也很高 整体的电路了我们已经达到了97.5%的效率 同时实现了140瓦每立方英寸的功率密度 最后 除了我们两款高压的氮化镓产品时成电路以外呢 我们在中压方面我们使用了我们的LMG5200去做了一个逆变器 是一个48伏10安3相的逆变器 这个电路那他是在硬开关的模式下 实现了100千赫兹的逆变同样它也有非常高的效率. 而且我们不需要任何的散热器 这个电路实现了500瓦每立方英寸功率密度 那么为什么氮化镓产品会有这些优势呢 首先 氮化镓产品它有非常小的门级电容我们可以看到跟普通的硅器件相比 它一个单位体积只有大概4分之一的一个门机电容 这样的情况就导致我们非常容易给门机充电和放电 同时我们的开关速度非常快这样的我们turn off turn down节省了很多能量 与此同时 我们门机本身驱动的功率损耗也减少了 其次 我们的输出电容也就是我们的CUSS 或者我们的qoss 是非常小 大概是普通硅器件的五分之一大小 好处也是我们的开关速度会变得非常快 使得我们在硬开关过程中能够减少我们的损耗 因为我们都知道特别是在硬开关的过程中 我们整个[听不清]上的损耗都是会被消耗掉了 软开关的过程中呢因为我们的[听不清]是变小了 非常容易实现快速软开关 而且软开关所需要的电流也大大减少了 这样他的相应的导通损耗也有很明显的降低 第3点 我们可以看到在我们同样尺寸的氮化镓产品上 我们的我们的[听不清]也实现了非常大的减少 那么我们可以看到我们传统的所说的[听不清] FOM 也就是我们[听不清]与我们COSS或者是我们[听不清]的一个乘积 他两个都大大地减少了 所以他会给我们带来非常好的 不管是从开关损耗还是开关的速度上有一个很大的优势 当氮化镓产品 因为它是一个没有[听不清]的产品 所以我很自然的 我们也就没有体二极管情况下 我们会发现它没有的反向恢复 我们知道在普通硅的mos管里面 反向恢复是一个非常大的损耗 他的这里呢因为他没有MOS管 给我们的硬开关过程带来了一个很大的好处 就是这部分损耗被大大的减少了 而且因为我没有反向恢复 在整个开关过程中产生的震荡也非常小 那么一样开关速度情况下 氮化镓产品能够更好的帮我们减少EMI震荡 以及我们的一些噪音 我们都知道氮化镓产品目前在开关过程中 速度是非常快的 这样可以节省很多的开关损耗 但是这么快的开关速度也给带来了很大挑战 就是我们如何把我们的驱动做好以能够有更好的保护 目前我们TI就提供了这种解决方案 就是将我们的驱动保护以及我们的氮化镓管子 结合起来 形成一个集成模块 现在就让我们看一看我们的系统表现 我们可以看到这边是一个我们的比较 对TI来说 我们是目前唯一一家集成驱动以及我们的氮化镓[听不清]的厂商 跟传统的离散器件相比那我们有一些特点 首先我们有我们自己的一个[听不清]的这个引脚 这个引脚虽然在我们集成了我们的驱动与氮化镓[听不清]之后呢 我们也能够很好的控制DVDT 的也就是我们能够控制我们驱动的能力 让它跑得快一点或者慢一点 这样能够有更好的关于我们EMI速度的控制啊 对我们对DVDT的需求 根据不同的应用不同的客户的要求来做 其次 我们有我们的保护我们有我们的过流保护 然后他可以在100个纳秒之间动作 他置了100个纳秒 就能够很好的帮助我们帮助防止过流以及短路的情况 同时他还会有我们过温保护OTP 以及我们的驱动VDD UVL 电压不足的保护 那当我们集成了这些驱动 当我们的氮化镓[听不清]之后呢 我们的一个好处是 不需要任何的外部器件 外部的驱动器件外部的电阻器件 门机电阻之类的 所以我们能够很好的节约我们的空间 实现我们功率密度的最大化 那么我们可以看到相比传统的器件来说呢 因为传统的器件在我们用离散器件 分立器件的时候 我们看到PCB有很大的layout的区域 而且我们又会有很多的杂散参数 通过把驱动和氮化镓产品捆绑在一起 我们能够实现最好的最优化的杂散参数 以及最好的驱动能力使得我有最可靠最好的表现 关于我们集成这个驱动和我们的氮化镓在一起 它有门机可靠性的一些好处 我们可以看一些具体的细节的这里 首先呢我们可以看到这边是一个我们叫MTTF 以及门极电压的关系 MTTF其实是从开始到最后器件会fail 会失效的时间 那么时间以及我们的门极电压 我们可以看到还有一个类似于线性的关系 也就是说 当我们的门级产生不同的过压的情况下 它会大幅度的减少 氮化镓产品的有效使用寿命 可以看到这个是虚线是一个标准的10年寿命 电压比较小的时候我们会有一个比较好的寿命 当我们电压比较大的时候呢 会有一个比较短一点的寿命 那么在我们做这个设计的时候其实是一个取舍 因为当你的电压比较小时候 |它会使你的[听不清]较大 但是当电压比较大的时候呢 它又会使得额外的震荡导致器件的寿命变小 那么怎么优化我们的设计我们驱动电压的设计呢 因为我们做了这集成 我们把我们的驱动芯片以及我们的管子集成在一起 那么芯片内部就自己去控制了电压 这个电压是在我们的工程师在设计时候 就找到最优化的一个点 他的是在效率以及寿命的一个平衡点 来驱动他 所以我们的使用者就不需要去操心这方面的问题了 其次 我相信很多工程师在使用过程中都会碰到一些问题 比如说 我们门机震荡 你用硅的器件你都会发现在这个门机在开关的过程中 由于非常大的[听不清] 他会对你的门极驱动有影响 门极驱动的波形往往是不好看 或者说对你的使用寿命对器件的寿命有影响 这是因为体验中有非常多的杂散电感 我们用一个分立的驱动 与我们的氮化镓产品 我们有两个封装的杂散电感 我们整个PCB上的杂散电感 还有我们就是一个电感是有主回路和 我们的驱动回路共享的 那这个电感像一个变压器一样 给我们带来了一个很大的一个噪声源 我们可以看到这些问题呢 都是由于分立的器件导致的 但是如果我们能够集成我们的驱动把我们的驱动的带 我们的模块 和我们的[听不清]集合起来 我们就会发现这些杂散参数会大大的被减小 使得开关过程中波形非常的漂亮 但这些我们在封装的设计上也做一些优化 那么除了我们启动 我们说的这些功能这些最基本的功能以外 因为我们集成了驱动 我们也可以在驱动中加入关于我们过流过压过温 以及EVO的保护 使得我们兆赫兹的开关频率上也有非常好的保护 而且我们有能力去调节我们驱动的能力 去改变我们[听不清]速度 那么 现在我们就可以看到 这里有一个非常简单的例子也是我们门机驱动 驱动产生了一个范例 我们这边有一个图腾柱的PFC 还是我们是400伏的直流母线以及4安的电流 我们看到 我们的电压 开关节点 switch node 已就是两个[听不清]间的电压 他从零伏一直一直通过开通到400伏在这整个过程中 我们DVDT是达到了102伏每纳秒速度是非常快的 会比普通的硅器件远远的要快 那么我们看到我们的过充的过程的电压 是非常小的 只有大概25伏 和普通的硅器件相比 震荡都已经是很小了 而且这么快的DVDT的开关 主要原因是我们使用集成驱动 让杂散参数非常小 而导致开关波形非常漂亮 这样也帮我们进一步的减少了我们的一些EMI的问题 以及由于过压导致的对门级和对管子本身造成了一些电压应力 以及寿命上的影响 在传统的电力电子应用中 很多时候 我们用一个电阻就是测压的电阻去测量我们的过流. 来实现保护 但是在氮化镓的应用中呢 使用这个电阻 来考虑OCP 会有很多的问题 首先我们用一个电阻串联在我们的回路中 他会给我们带来一些信噪比的问题 当你使用一个比较大的电阻的时候 你给你电路带来的损耗比较大 但是当你给你使用一个较小的电阻的时候 你的信噪比就比较差 因为电阻上所能产生的电压会比较小 氮化镓的开关速度比较快给你带来很大的噪音 可能不太合适合 其次呢当使用这个线路电阻的时候 你会发现因为它使你的整个回路变大了 你必须放入这个电阻 而且要放一些其他的laout的空间那么你不可能做到很快的DVDT 因为这样很快的DVDT给你带来更大的噪声问题 就是噪音问题 也会给你带来更大的电流的过充和最后的[听不清] 最后 从成本的角度来看呢因为我们使用了额外的电阻 我们也需要用很高高速的这个比较器 这些比较器以及高精度的一些电阻 它都会有额外的一些成本上的考虑 而那么我们做一个总结 我们会发现当我们使用了普通的这个[听不清]电阻 来作为OTP保护的一个机制之后 我们大概会加上一个233平方毫米的空间 因为在我们的layout上 我们需要实现这些比较电路以及我们电阻的电路 同时那我们也会增加大概1.2个[听不清]的杂散电感 以及最后 过冲出问题 因为噪音问题很多时候可能不能做到100伏每纳秒 我们可能比如说选择一个80伏每纳秒 那么这些导通损耗以及开关损耗增加就可能会给我们带来比如说0.9瓦损耗 如果我们做一个如果1.2千瓦的 output PFC来看 但是如果我们能够使用TI目前有的这个integrated ocp 就是我们集成OCP在驱动中 我们会发现这些问题都迎刃而解 因为他不增加任何的额外的器件和空间 电路中并没有增加电阻各种问题 也不会产生比如说因为温度之类东西 造成的漂移 我们的反应时间是在100纳秒以内因为氮化镓的DVDT也是非常快 如果不能够有效的做一个保护可能比如说有几百个的纳秒时间 我们就很容易导致我们器件最后产生炸裂以及烧坏的情况 之后呢 我们也没有额外的器件所以导致我们的layout 我们的整个空间利用是非常好的 介绍了氮化镓基础内容 以及我们为什么要做集成的驱动之后呢 让我们来看一下利用目前TI的氮化镓产品 能够实现哪些电路主要的应用 目前来说 那我们AC到DC的应用是一个非常流行的 关于氮化镓的应用 我们一看到这是一个我们这样典型的应用的一个结构图 首先我们从AC进入 我们大概是有一个universal的输入 是个很宽泛的区域 是大概有85伏到265伏的AC电压 因为全世界不同地区有不同电压的限制和范围 那么这个AC电压输入到PFC之后 我们会通过它实现一个400伏直流电路 PFC电路目前一般是使用一个不 boost converter或者是跟 boost converter类似电路实现 可以帮助我们实现输入电流能够很好的就跟随我们的输入电压 使得我们的功率因数达到1 然后呢我们也可以通过我们的LLC电路 去实现一个400伏到12伏24伏或者 这个LLC converter是一个DC到DC隔离的 这就是一个非常典型的工业医疗通讯AC到DC的电源模块的一个应用 那么看到 这是一个我们目前氮化镓产品用了一个变异的一个图腾柱电路 的一个结构图 在这个电路中 我们可以看到它有两个600伏的氮化镓器件 同时呢 我们有两个是低频的硅的mosfet管子 我们有一个PSP的inductor 一个电感在这边去管理我们输入的 电流的波形 让我们输入电流是一个连续或者断续的状态 这个电路 你可以做不同的控制模式 你可以做连续电流模式 CCTM 也可以做一个临界电流模式 比如CRM 来实现软开关 这个是根据客户和应用和不同的场合和功率密度要求可以实现不同方案 其次 那还有我们的LLC converter 它是一个谐振converter 是一个软开关的拓扑 我们也看到它的结构其实是非常简单的 原边呢 我们有一个600伏的氮化镓器件 它是一个半桥 那么副边呢 我们也会有两个整流管以及我们可以看到 我们有这个一个谐振的一个模块它这个谐振的区域是通过 我们的变压器实现了它的漏感它的[听不清] 以及我们的谐振电容 形成了一个软开关形状的一个类似于正弦波的波形 电压电流波形 让我们实现软开关 在[听不清] 我们通过一个硅或者是氮化镓的同步整流管 实现比较高效率的同步整流 首先呢 我们可以看一下氮化镓器件在我们的PFC中的一些应用 我们大家都知道传统的PFC中 经常使用的是结构是我们的dual boost pfc 也就是说 我们在一个PFC电路中 其实有两个boost converter 每个boost converter去负责半个周期半个公平周期的电流 因为在boost converter中电流是没有办法反向的 我们使用了氮化镓之后呢 我们就有条件进阶到一个更好的拓扑 也就是我们的图腾柱PFC 那么对于传统的[听不清]来说呢 因为它有比较大的反向恢复 图腾柱 PFC的要求是氮化镓这个[听不清] 它会在一个公平周期之内轮流做同步整流管 那么这样就要求它对反向恢复的能量是非常非常小的 需要我们有接近为零的反向恢复能量 这样是传统的MOSFET没有办法做到 那么相比较我们的dual boost PFC 和我们的图腾柱PFC呢 我们会发现前者它有更多的半导体器件 而且它多了一个电感 这样就不可避免我们会有更大的损耗 以及我们会有更大的尺寸 那么根据我们的一些计算 我们可以看到 目前当我们使用dual boost PFC以及图腾柱的PFC 实现一个1000瓦的应用的时候呢 我们开关频率大概会在100千赫兹左右 我们会发现它的损耗是大大的降低了器件损耗大大降低 我们最后是减少我们的Power loss 我们损耗大概在36% 而且同时因为我们使用了图腾柱PFC 整个layout尺寸以及我们功率密度 都大大的增加 而且因为我们减少了电感以及其它的 像碳化硅二极管 这些的元器件 我们的系统的成本其实也下降了 除了[听不清]外 我们还有一个CRM PFC的解决方案 我们可以看到 目前在TI实现的是一个两项CRM 1.6千瓦 也就是我们的临界电流模式的PFC 我们可以看到的这个设计中我们用两上两个半桥 每个半桥帮助实现大概 它产生了非常好功率密度 大概是250瓦每立方英寸是非常不错功率密度 而且我们的效率也是接近于99% 那么这个拓扑呢 它是一个1兆赫兹的开关 所以能让我们实现好效率以及软开关 那么具体的 最后我们客户需要用哪一款PFC 其实根据你的控制器选择 以及你的功率密度要求这方面来决定的 除了PFC以外呢 刚刚也提到氮化镓产品用在LLC这个converter设计中 也是非常有帮助的 主要是能够帮助提升效率以及我们功率密度 很多人就会好奇了 LLC converter 它是一个软开关的器件 那么它要不涉及到硬开关 为什么说氮化镓器件 它可能够帮助我们 因为这个硬开关的这个开关损耗 也没有反向恢复 需要的这个反向恢复损耗 那么对LLC converter来说它主要能帮助我们的是 它比较小了 它的COSS 首先当我们使用 [听不清]比较小的情况下 我们会发现我们所实现转开关所需要的励磁电流会非常小 那这样我们就能够减少死区时间然后能够使得我们在这个死区时间 它的循环的电流也更小 而这样励磁电感也会可以做得更大 在我们的整个LLC converter的设计上 我们曾针对死区 针对实现软开关这个部分它所需要的功耗 就大大降低了 因此 我们的我们的变压器设计都会更加的简单 比如说产生了边际效应[听不清] 因为励磁电缆的增加也会得到有所的缓解 那么我们会看到 当低频运行时候 可能对我们来说 这个驱动损耗并不是太大 但是我们走到高频后 我们发现驱动 损耗对我们是一个挑战 但是当我们使用氮化镓产品之后 它的[听不清]对门机驱动所需要的功耗是非常非常低的 当我们可以成好几倍的减少我们门极驱动的损耗 那么最后因为以上提到的原因呢 我们有能力使使得在更高开关频率去运行 也使得我们能够最后达到更好的功率密度 因为在高频之后 我们会发现我们的电感以及变压器的尺寸会得到大大的减少 我们可以看到这是我的目前TI一个范例 我们目前是有一个1兆赫兹的设计是一个1000瓦左右的设计 我们的最大的效率经达到了97.5% 我们这边用了LLC的半桥 同时呢我们为了实现最好的设计 我们是针对1兆赫兹的开关频率我们设计了一个4层的一个PCB 做绕组的变压器 那这个PCB绕组变压器 原边是串联 副边并联 然后副边呢 通过几个并联氮化镓的低压的[听不清] 实现同步整流之后 我们到了很好的效果 而且我们的功率密度已经到了 那么现在针对于1兆赫兹的这个设计我们也做了一些比较 这是一个我们简单的比较图当我们的输出电压一定情况下 我们的输出电流从我们小电流一直到40到50安的电流 做一个比较 我们发现 因为LLC有更小的循环电流以及更小的COSS 所以在峰值功率 我们有很大程度的提升 而且在整个过程中 我们的效益都好于普通硅器件所产生的 LLC converter 包括我们刚刚讲过的PFC和LLC以外其实在我们的工业应用中. 我们的电机驱动马达驱动也是非常好的应用 针对氮化镓器件 可能很多人会问说 马达驱动是一个低频应用 为什么我们要使用氮化镓器件 其实原因有很多 首先呢等 氮化镓它会实现比较好的开关效率 也就是说 即使你的开关频率很低但是我们没有了任何的反向恢复 这是一个很大的损耗 我们也有更好的开关损耗以及更小的COSS损耗 这个给我们带到一个很明显的就是我们可以去掉我们的散热器 有更好的效率和更好的功率密度 那么其次 我们很多的震荡都会被去除掉 就是因为我们的开关波形 对我们氮化镓来说 是非常漂亮的甚至比普通的硅器件都要好 这样我们的一些震荡 损耗以及一些噪音都会大大的被减少 然后呢 我们可以通过我们提高频率实现一些很好的功能 比如说 在我们很多情况下一些低电感的同步电机 或者说无声直流电机 需要高频率实现比较好的控制精度然后有一些伺服电机呢 因为我们需要很好的位置控制 我们的转矩的纹波[听不清]需要比较小 甚至在一些高速应用中 比如说像无人机 我们需要很高频的 基波频率 比如说 一到两开基波频率对我们的控制对于我们的开关速度 也是一个挑战 那么我们需要很好的开关频率来帮我们实现 最后呢 因为我们使用氮化镓器件我们的开关速度非常快 往往我们不需要很大的死区时间 帮我们产生这么多的distortion我们的扭曲 那么我们[听不清]会有很明显的提升 比如说我们传统的硅器件 可能需要好几百的纳秒 它死区的时间 那么在我们氮化镓产品中 那只需要几十纳秒 甚至十几二十个纳秒 就可以很好地帮助你实现死区的转换 那么目前我们TI也提供了关于马达驱动的一些中压以及高压解决方案 现在你看到的是一个非常典型的我们针对于中压的一个解决方案 我们可以看到 我们的一个展示 给大家展示了我们的LMG 5200这个器件 把它实现了一个三相的马达驱动 48伏 直流母线 10安的电流 在这个情况下 我们的开关频率是100K赫兹 但是我们在10安电流之后 我们的峰值 效益达到98.5% 功率密度是500瓦每立方英寸还是一个很高的功率密度 在这个情况下 我们去看看看它的散热情况 针对我们这么高的效率 我们没有使用任何的这个散热 就是完全是自然的冷却 包括没有风了 大家可以看到 器件最高的温度是106度 它在 其实是非常好的一个表现 那么我们也讨论了这么多的关于氮化镓的基本的内容以及最后的散热和 我们的应用中的 PFC LLC以及马达驱动 最后来做一个总结 简单的说 氮化镓是一个能够帮助实现最新的新一代的功率转换的一个器件 它给我们带来了一个高密度高效率的一个未来 那么我们可以看到氮化镓它帮助我们实现了三倍以上功率密度的提升 从AC到DC的一个转换 同时 我们已经给大家展示了一兆赫兹的LLC converter 帮我们实现了六倍的一个减少 在我们的尺寸以及我们的重量上 因为我们的这个磁芯 以及电路都有很大程度地缩减 另外呢 我们可以看到 我们的集成关于氮化镓器件以及我们驱动集成 给我们带来一个非常低电感 很好的封装以及有各方面的可靠保护 好 如果大家有兴趣希望得到我们更多的支持 请去我们的ti.com/GaN 我们有一个针对氮化镓产品的专题的网页 谢谢大家 欢迎大家去我们Webbench 工具选择定制模拟和导出我们这新的电源服务 以及采购选用我们的电源设计基础数据 谢谢