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PI布局氮化镓市场稳站电源领域领军地位

关键词:PI 氮化镓(GaN) GaN器件

时间:2019-09-05 16:59:01      来源:中电网

氮化镓(GaN)作为半导体第三代材料,近年来高频进入业界视野。各大IC厂商先后涉足氮化镓领域,源由氮化镓的宽禁带、高击穿电压、大热导率等特性,确立了其在制备宽波谱、高功率、高效率的微电子、电力电子、光电子等器件方面的领先地位,GaN器件正在向各应用领域渗透着。

氮化镓(GaN)作为半导体第三代材料,近年来高频进入业界视野。各大IC厂商先后涉足氮化镓领域,源由氮化镓的宽禁带、高击穿电压、大热导率等特性,确立了其在制备宽波谱、高功率、高效率的微电子、电力电子、光电子等器件方面的领先地位,GaN器件正在向各应用领域渗透着。以电源管理为例,随着新应用对高压和高性能的要求逐步提升,氮化镓(GaN)备受关注,其可提供超越于传统硅MOSFET的技术优势,实现更高效率、更低温度和更小的尺寸,被业界一致认为是功率变换领域的未来。

近日深耕于高压集成电路高能效功率转换领域的知名公司Power Integrations发布了其InnoSwitch™3系列恒压/恒流离线反激式开关电源IC的新成员--基于氮化镓的InnoSwitch3 AC-DC变换器IC,可满载情况下实现95%的高效率,并且在密闭适配器内不使用散热片的情况下可提供100 W的功率输出。

PI资深技术培训经理阎金光先生在发布会上表示,基于GaN的InnoSwitch3系列器件可提供更大功率、更高的效率以及更具可靠性。适用于对尺寸和效率有较高要求的应用,如移动设备、机顶盒、显示器、家电、网络设备和游戏机的USB-PD和大电流充电器/适配器等等。

PowiGaN集成到IC内部更具实用性

PI把这种基于GaN的开关技术称为PowiGaN,。随后阎先生告诉记者,其实设计一款可靠安全的GaN开关相对有一定的难度,但PI将PowiGaN集成到IC内部,大大的增加了IC的可靠性,为开关工作提供安全的保护。工程师可以看到明显的性能提升,但GaN开关与基于硅的MOSFET开关在电源工作方式上没有任何区别。简单的反激式电路拓扑结构、无论是采用硅晶体管还是采用PowiGaN开关的InnoSwitch3 IC均使用相同的开关电源设计流程、相同的开关频率、开关波形也极为相似、无异常的电路特性表现及增加特别的设计考量,只需根据输出功率的不同选取相应的外部电路元件。保证了新的产品与传统InnoSwitch3使用一致性、连贯性,可以说PI这家公司让GaN变的更具实用性。

PowiGaN可提供更高效率、更大的输出功率

准谐振模式的InnoSwitch3系列IC在一个表面贴装封装内集成了初级电路、次级电路和反馈电路。新发布的基于GaN的InnoSwitch3产品中,将初级的常规高压硅晶体管替换成氮化镓(GaN),可以降低电流流动期间的传导损耗,并极大降低工作时的开关损耗。最终有助于大幅降低电源的能耗,从而提高效率,使体积更小的InSOP-24D封装提供更大的输出功率。

当然市场上有些声音表示,他们可以利用这个开关损耗的降低,将开关频率做的更高,甚至有些厂商做到了300K,以便将变压器、电源的体积变的更小,但随之而来的劣势就是EMI电磁干扰不容易通过,这样一来还需加许多额外的器件来满足电磁测试的标准要求,反而使得电源的体积变的更大,因此阎先生说GAN开关的优势利用要在一个合理的频率范围内,即频率不要高到影响了EMI,目前PI 的InnoSwitch 3沿用了原来基于硅开关的100KHZ的开关频率。

GAN开关增加了InnoSwitch 3的效率和输出功率01.jpg

上图中,蓝色条形是基于硅的MOSFET管,我们可以看到随着功率的增大,导通电阻是逐渐降低的;右侧红色所示为PowiGaN技术的开关导通电阻特性,由于其优异的开关特性因而可以保证在具有前级功率因数校正电路的情况下将功率做到120W,远大于硅芯片的输出功率。

同时GaN开关将功率提升后耐压也随之更高了,可以达到750V,意味着安全性更高。

GaN开关极大的降低了损耗

MOSFET的输出电容在其开通时通过本身进行放电,每一个开关周期,输出电容都会有充电、放电的过程,寄生电容的大小与MOSFET的大小成比例,而更大的MOSFET意味着更多的开关损耗。同时导通损耗会随着管子大小的增大而减小。那如何来避免呢?阎先生讲到,PI的GaN开关,输出电容非常小,几乎可以忽略不计 ,开关损耗非常低,因此总体损耗相对于MOSFET会更低。同时可以把效率提升更高,见下图GaN技术功率损耗(红色)与传统MOSFET的功率损耗(灰色)对比。

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PI已发布多款PowiGaN的参考设计

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基于PowiGaN的InnoSwitch 3设计可实现95%的满载效率,在适配器设计中可省去散热片,PI65W20V的DER-747适配器,满载效率在230VAC下为95%,在115VAC下为94%。PowiGaN的高效还可提高60W USB PD电源在各种负载下的性能。

总结起来,PowiGaN器件可提供更大的功率,其导通电阻更小,开关损耗更低;

与传统的InnoSwitch 3硅晶体管的工作方式无明显区别;生产工艺由PI开发和维护,与已经拥有的合作伙伴协同工作;具有业内先进的GaN认证过程。

PowiGaN技术扩展到LYTSwitch-6系列产品

除此之外,PI还将PowiGaN扩展到LED照明应用领域,同样可实现更高的效率和功率。非常适合于有体积效率有要求的应用场合,如:高度具有要求的天花LED灯具驱动、高低舱顶灯灯具、LED路灯驱动、工业用12V或24V恒压输出等应用。

目前PI在其LYTSwitch-6系列的两个器件里采用了PowiGaN技术。回顾前一代基于硅晶体管的LYTSwitch-6系列产品,阎先生表示,该系列在高达65W的应用中已表现的非常出色,而采用PowiGaN开关后,可通过简单灵活的反激拓扑实现高达110 W输出功率和94%转换效率的设计。

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设计实例-使用HiperPFS-4 和内部集成PowiGaN开关的LYTSwitch-6实现的两级照明镇流器应用以上原理图所示, 我们可看到该设计有两级构成,前面一级使用的是来自PI的功率因数校正IC-HiperPFS-4,而升压二极管也是采用该公司的Qspeed系列二极管,HiperPFS-4除了功率因数校正之外,可以保证母线电压永远都保持400V,使后面DC/DC部分可以输出更高的功率。使用HiperPFS-4的升压PFC ,230V时的PF可以达0.99,THD小于10%,而反激式的DC/DC变换级则由初级侧使用PowiGaN开关的LYTSwitch-6来实现。大功率密度的LYTSwitch-6设计可减小LED驱动器的高度和重量,这对于空间受限且密闭的镇流器应用而言至关重要。

例2.jpg

bord.jpg

上图是基于PowiGaN开关的参考设计板DER-801,100W输出功率,满载效率在277VAC下为90.5%。

另外,深受工程师喜爱的PIExpert套件目前支持PowiGaN器件的设计,实时创建符合客户规格参数的自定义方案,该软件可从PI官网免费下载。

有关LYTSwitch-6 可参见http://news.eccn.com/news_2018020713425464.htm

GaN属于新兴产业,整个产业链还处于发展初期,显然众多IC厂商跃跃欲试,但PI这家公司基于原有的功率技术和产业功底,新产品已相对成熟,并得到客户的认可,多家客户已利用其技术投入众多产品生产。InnoSwitch3已成为离线开关电源IC市场当之无愧的技术先行者,随着反激式产品在效率和功率能力的提高,新的氮化镓IC将进一步巩固PI在市场上的优势地位。

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