Part 2

欢迎参加有关使用 TI GaN 功率级 设计可靠、高密度电源解决方案的 第二节培训课程 在本节课程中，我将展示一些电源示例 在这些示例中，TI 的GaN 功率级可提高 电源密度和性能 第一个应用是交流/直流电源 该应用包含功率因数校正 或 PFC、转换器后跟 LLC 转换器 该拓扑在服务器、电信和许多需要 交流线路提供 100 瓦以上功率的工业应用中 非常典型 PFC 电路控制输入电流波形为正弦波 和端点相位，采用交流电压 该电源可以针对给定的输出功率 最大程度地减小输入交流电流并降低交流 线路上的谐波 PFC 电源通常设计为具有 85 伏交流至265 伏交流的 通用输入电压范围 这样一个设计可以在世界上的大都数国家/地区中正常工作 PFC 以升压操作方式工作，可以 调节输入电流的正弦波形，并且 通常具有 400 伏直流输出电压 需要使用 LLC 转换器将 PFC 提供的 400 伏 电压降低至可以使用的输出电压，该电压通常为 12、24 或 48 伏 它还提供与输入交流线路的 安全隔离 在这两个应用中都可以使用 GaN 功率 FET 来提高电源密度和效率 图腾柱 PFC 包含两个 600 伏 GaN 功率 FET 和一个用于高频 PWM 开关的半桥配置、两个用于 线路频率整流的低 RDS(on) 硅 MOSFET 以及一个功率电感器 LLC 转换器包含两个采用图腾柱 配置的 600 伏功率 FET，一个 包含隔离变压器串联电感、LR 和 串联电容器的串联谐振 LC 振荡电路，CR，以及一个可以是 GaN 或硅 FET 的 低电压同步整流器 在这里，我要比较两款高效 CCM PFC 转换器，以展示 GaN FET 相对于硅 FET 的优势 正如先前提到的，超结 MOSFET 无法 在图腾柱配置下进行开关，这通常会导致很高的反向 恢复损耗 利用超结 MOSFET 的电源通常使用 碳化硅二极管作为整流器 因为碳化硅二极管具有低反向恢复 在超结 MOSFET 中使用时 双升压 PFC 配置 通常用于高频应用 在右侧，图腾柱 PFC 转换器由 GaN FET 启用 通过对比这两款转换器，可以发现 两个 GaN FET替代了两个 超结 MOSFET 和两个碳化硅二极管 该转换器还具有一个转换器 而不是双升压 PFC 中的两个电感器 通过查看两个 PFC 转换器之间的 损耗，可以发现 GaN 图腾柱 PFC 具有比双升压更低的传导 和开关损耗 GaN 图腾柱 PFC 可以将功率器件中的 损耗降低 36% 功率器件和图腾柱 PFC 中 电感器中的损耗降低可以将功率密度增大 3 倍，并且具有与双升压超结 MOSFET PFC 同等的解决方案成本 GaN 还可以增大临界 导通模式或 CrM PFC 转换器的功率密度 CrM PFC 具有与 CCM PFC 相同的图腾柱 配置，但具有经修改的开关 控制，用于在零伏时对 GaN 功率 FET 进行开关 零伏开关可以消除开关损耗 并允许转换器在更高的频率下 运行 在该设计中，转换器以 1 兆赫兹的频率 进行开关，并且仍保持高效率 更高的频率可以减小 EMI 滤波器中 电感器的尺寸 该设计是具有每立方英寸 250 瓦 功率密度的两相交错 1.6 千瓦 PFC 转换器 GaN 还可以增大 LLC 转换器的功率密度 正如您在右侧的图中看到的 GaN FET 的更低输出电容可以减少 对开关节点进行放电所需的 死区时间，并且可以增加向输出 提供电流的时间 这进而允许使用具有更高 磁化电感的隔离变压器 从而降低变压器和 GaN 功率 FET 中的 环流 该更低的电流可以降低 GaN FET 和变压器中的传导损耗 并且可以降低变压器间隙中的边缘损耗 在以高频率进行开关时 GaN FET 中的更低栅极电荷可以 降低栅极驱动损耗 GAN 更低的输出电荷和栅极电荷 使 LLC 转换器能够适应更高的 开关频率，从而减小变压器尺寸 以增大高频率下的功率密度 该 LLC 转换器使用 TI 的 LMG3410-R070 以 1 兆赫兹的频率将 400 伏直流电压转换为 48 伏直流电压 该 LLC 转换器使用集成了串行谐振 电感器和输出整流器的变压器进行了优化，可实现 每立方英寸 140 瓦的功率 密度以及高于 97% 的效率 该效率图展示了LLC 转换器中 GaN 相对于超结 MOSFET 的改进 两款电源设计都经过优化，能够以 1 兆赫兹的频率运行 GaN 的更低寄生电容提高了 整个负载范围上的效率 GaN 还可以提高电机驱动器的性能 GaN 的更低开关损耗可以提高 电机驱动逆变器的效率 这能够降低冷却需求，并且在某些 情况下无需散热器 TI GaN 功率级的干净开关波形 可以减小电机上的相位振铃 这样无需缓冲器即可降低 EMI GaN 以高频率开关的功能 使逆变器可以驱动低电感电机 更高的频率可以降低相电流纹波 从而实现高精度并降低 扭矩纹波 更高的开关频率还使逆变器 能够驱动高速电机驱动器 这些驱动器具有 1 至 2千赫的全速电气频率 而典型的电机驱动器仅为 60 赫兹 GaN 以高压摆率进行开关的功能 和短死区时间可以降低相电压 失真并提高电机驱动器的 THD 性能 此处是一个使用 TI 的 LMG5200 半桥 GaN 功率级设计的48 伏 10 安的电机驱动器 LMG5200 是具有集成驱动器 和自举电源的80 伏 10 安半桥 GaN 功率级 该逆变器具有 12至 60 伏的输入电压 范围，能够以 100kHz 的开关频率为电机提供 400 瓦的功率 效率为 98.5%，允许在不使用散热器的 情况下运行 它具有每立方英寸500 瓦的功率级密度 此处是一幅热像图，其中显示了在不使用散热器的 情况下以 400 瓦的功率运行的 48 伏电机驱动逆变器 在不使用散热器的情况下，最大负载 下的 GaN 结温为 106 摄氏度 总之，GaN 实现了当今的新一代功率转换设计 这些设计在以前是不可能 实现的 GaN 将从交流到负载点的功率 密度提高了 3 倍 采用低电感封装的GaN FET、驱动器和 保护集成可以为快速且可靠的开关提供 最佳解决方案 有关产品、设计和培训材料 请访问 TI.com/GaN 谢谢