作者：安森美策略營銷總監(jiān)Yong Ang

提高能效一直是電源制造商的一個長期目標。這是真正的“雙贏”，因為這不僅降低運行成本，而且減少了以熱的形式浪費能量，意味著需要更少的散熱管理，從而減小了電源的尺寸和成本。其他好處包括需要更少的冷卻處理以減少風扇的噪聲。

過去，電源(PSU)的能效通常引用一個單一的數(shù)字來說明可能的最佳能效。然而，在許多應用中，PSU在不同的負載水平下工作，很少能達到標題中提到的能效標準。特別是，當PSU在較低的功率水平下運行時，這就是個問題。

—80 Plus是個推薦標準，旨在解決整個負載范圍內(nèi)的高能效問題。它規(guī)定了從“基本”到“titanium”的六個級別在20%、50%和100%負載下要求達到的最低能效水平是80%。

—Titanium級別是最高的，比80 Plus增加了要求，即使在10%的負載需達到90%的能效，這是最嚴格的要求，只有更高功率的PSU才有可能實現(xiàn)。

氮化鎵(GaN) – 理想的開關?

雖然硅基半導體器件近年來有了很大的改進，但80 Plus的嚴苛要求意味著需要新的技術(shù)來達到最高能效水平——特別是Titanium標準。碳化硅(SiC)和氮化鎵等寬禁帶(WBG)技術(shù)正成為主流，使設計的能效高達99%。

SiC可能更成熟，但GaN具有更低的導通電阻和更快的開關速度，有些人將其描述為“理想的開關”。基于GaN的高電子遷移率晶體管(HEMT)顯然在具挑戰(zhàn)的高能效應用中具有很大的優(yōu)勢。最簡單的GaN開關被配置為常開，但現(xiàn)在常見的增強型或“e型”在施加零柵源電壓時是關斷的。這樣做的好處是使它們至少在最初以類似于硅MOSFET工作的方式工作。

服務器PSU是最高要求的應用之一，只允許4%的損耗，使圖騰柱PFC(TPPFC)級通常與LLC或移相全橋(PSFB)等諧振DC-DC轉(zhuǎn)換器和同步整流輸出級相結(jié)合。

圖1：采用圖騰柱PFC級和PSFB全橋的服務器PSU設計，采用GaN開關

在整個PSU中分擔損耗，允許每個階段有2%的損耗，這說明必須在GaN開關的開關和靜態(tài)損耗之間取得良好的平衡。

增加裸片面積可減少靜態(tài)損耗，但這也會增加器件電容，反過來又會增加每個開關周期所需的電荷。這意味著減少靜態(tài)損耗將導致開關(動態(tài))損耗的增加，盡管這種影響在GaN器件中相當小，而且明顯好于硅基器件。

門驅(qū)動挑戰(zhàn)

e-GaN HEMT器件與硅基開關之間最顯著的區(qū)別是對非常特定的門極驅(qū)動的要求。輸入電容(CISS)通常很低，它是并聯(lián)柵極-源極和柵極-漏極的電容，兩者都很低。然而，門極電流的峰值可達到1 A，這就要求門極驅(qū)動具有較低的源阻抗。在實際應用中，加入了一些源極電阻來控制漏極的dV/dt，從而消除了電壓過沖和/或振蕩。

最佳的門極電阻在導通和關斷時是不一樣的，所以通常的做法是使用單獨的電阻和一個二極管。在更精密的電路中，可對門極電流進行有源控制(有電壓限制)。但最小化和平衡任何傳播延遲以充分利用GaN的速度優(yōu)勢非常重要。

e-GaN HEMT的閾值電壓約為1.6 V，因此在開關時出現(xiàn)的瞬態(tài)可能會導致功率損耗，因為器件會虛假地導通，而且可能會出現(xiàn)不良的“擊穿”，從而損壞器件。如果漏極上有較高的dV/dt，這可能是由于電荷通過柵極-漏極或“米勒”電容注入到門極而發(fā)生的。同樣，當漏極-源極關斷di/dt較高時，任何與門極驅(qū)動電路共用的源極電感都可能導致電壓瞬變，從而對抗門極關斷電壓。

為了應對這些影響，設計中需控制dV/dt和di/dt，使其低于可能的最大值。這有助于減少EMI，并且可以在源頭提供一個“開爾文”連接以分離門極驅(qū)動回路。

現(xiàn)成的集成GaN驅(qū)動器

驅(qū)動GaN器件的最佳和最簡單的方法是使用預先優(yōu)化的集成驅(qū)動器方案，如安森美(onsemi)的NCP58920或NCP58921。 這些器件是650 V增強型GaN器件，具有150 mΩ和50 mΩ的導通電阻，適用于所有常見的轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，包括TPPFC，它們在“硬開關”應用中表現(xiàn)特別好，其中GaN具有顯著優(yōu)勢。

在一個典型的低成本、TPPFC+LLC轉(zhuǎn)換器中，一對NCP58921器件能提供超過250 W的直流輸出，能效近95%。但在服務器電源中，以優(yōu)化的導通模式和磁學，可達到80+ Titanium的目標。

圖2：使用安森美的NCP58291集成GaN+驅(qū)動器的PSU，能效峰值約95%

NCP5892x器件采用熱能效高的PQFN 8x8封裝，焊盤裸露，結(jié)點到板的熱阻為0.4 °C/W。驅(qū)動器部分的電源電壓是非觸發(fā)、非門限的，最低8.5 V，最高20 V，因為該器件內(nèi)部含一個6 V鉗位的低壓降穩(wěn)壓器(LDO)用于GaN HEMT驅(qū)動器，如果需要還可集成一個用于外部數(shù)字隔離器電源的5 V LDO。

總結(jié)

GaN器件是最高性能的開關，提供極低的靜態(tài)和動態(tài)損耗。當與驅(qū)動器共同封裝時，它們在高性能電源轉(zhuǎn)換器設計中簡單應用，可滿足嚴格的能效規(guī)范，如80 Plus Titanium。

原文標題：符合80 Plus Titanium標準的氮化鎵設計挑戰(zhàn)

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審核編輯：湯梓紅