使用氮化镓(GaN)提高电源(PSU)能效
作者：安森美策略营销总监yong ang
提高能效一直是电源制造商的一个长期目标。这是真正的“双赢”，因为这不仅降低运行成本，而且减少了以热的形式浪费能量，意味着需要更少的散热管理，从而减小了电源的尺寸和成本。其他好处包括需要更少的冷却处理以减少风扇的噪声。
过去，电源(psu)的能效通常引用一个单一的数字来说明可能的最佳能效。然而，在许多应用中，psu在不同的负载水平下工作，很少能达到标题中提到的能效标准。特别是，当psu在较低的功率水平下运行时，这就是个问题。
—80 plus是个推荐标准，旨在解决整个负载范围内的高能效问题。它规定了从“基本”到“titanium”的六个级别在20%、50%和100%负载下要求达到的最低能效水平是80%。
—titanium级别是最高的，比80 plus增加了要求，即使在10%的负载需达到90%的能效，这是最严格的要求，只有更高功率的psu才有可能实现。
氮化镓(gan) – 理想的开关?
虽然硅基半导体器件近年来有了很大的改进，但80 plus的严苛要求意味着需要新的技术来达到最高能效水平——特别是titanium标准。碳化硅(sic)和氮化镓等宽禁带(wbg)技术正成为主流，使设计的能效高达99%。
sic可能更成熟，但gan具有更低的导通电阻和更快的开关速度，有些人将其描述为“理想的开关”。基于gan的高电子迁移率晶体管(hemt)显然在具挑战的高能效应用中具有很大的优势。最简单的gan开关被配置为常开，但现在常见的增强型或“e型”在施加零栅源电压时是关断的。这样做的好处是使它们至少在最初以类似于硅mosfet工作的方式工作。
服务器psu是最高要求的应用之一，只允许4%的损耗，使图腾柱pfc(tppfc)级通常与llc或移相全桥(psfb)等谐振dc-dc转换器和同步整流输出级相结合。
图1：采用图腾柱pfc级和psfb全桥的服务器psu设计，采用gan开关
在整个psu中分担损耗，允许每个阶段有2%的损耗，这说明必须在gan开关的开关和静态损耗之间取得良好的平衡。
增加裸片面积可减少静态损耗，但这也会增加器件电容，反过来又会增加每个开关周期所需的电荷。这意味着减少静态损耗将导致开关(动态)损耗的增加，尽管这种影响在gan器件中相当小，而且明显好于硅基器件。
门驱动挑战
e-gan hemt器件与硅基开关之间最显著的区别是对非常特定的门极驱动的要求。输入电容(ciss)通常很低，它是并联栅极-源极和栅极-漏极的电容，两者都很低。然而，门极电流的峰值可达到1 a，这就要求门极驱动具有较低的源阻抗。在实际应用中，加入了一些源极电阻来控制漏极的dv/dt，从而消除了电压过冲和/或振荡。
最佳的门极电阻在导通和关断时是不一样的，所以通常的做法是使用单独的电阻和一个二极管。在更精密的电路中，可对门极电流进行有源控制(有电压限制)。但最小化和平衡任何传播延迟以充分利用gan的速度优势非常重要。
e-gan hemt的阈值电压约为1.6 v，因此在开关时出现的瞬态可能会导致功率损耗，因为器件会虚假地导通，而且可能会出现不良的“击穿”，从而损坏器件。如果漏极上有较高的dv/dt，这可能是由于电荷通过栅极-漏极或“米勒”电容注入到门极而发生的。同样，当漏极-源极关断di/dt较高时，任何与门极驱动电路共用的源极电感都可能导致电压瞬变，从而对抗门极关断电压。
为了应对这些影响，设计中需控制dv/dt和di/dt，使其低于可能的最大值。这有助于减少emi，并且可以在源头提供一个“开尔文”连接以分离门极驱动回路。
现成的集成gan驱动器
驱动gan器件的最佳和最简单的方法是使用预先优化的集成驱动器方案，如安森美(onsemi)的ncp58920或ncp58921。 这些器件是650 v增强型gan器件，具有150 mω和50 mω的导通电阻，适用于所有常见的转换器拓扑结构，包括tppfc，它们在“硬开关”应用中表现特别好，其中gan具有显著优势。
在一个典型的低成本、tppfc+llc转换器中，一对ncp58921器件能提供超过250 w的直流输出，能效近95%。但在服务器电源中，以优化的导通模式和磁学，可达到80+ titanium的目标。
图2：使用安森美的ncp58291集成gan+驱动器的psu，能效峰值约95%
ncp5892x器件采用热能效高的pqfn 8x8封装，焊盘裸露，结点到板的热阻为0.4 °c/w。驱动器部分的电源电压是非触发、非门限的，最低8.5 v，最高20 v，因为该器件内部含一个6 v钳位的低压降稳压器(ldo)用于gan hemt驱动器，如果需要还可集成一个用于外部数字隔离器电源的5 v ldo。
总结
gan器件是最高性能的开关，提供极低的静态和动态损耗。当与驱动器共同封装时，它们在高性能电源转换器设计中简单应用，可满足严格的能效规范，如80 plus titanium。
原文标题：符合80 plus titanium标准的氮化镓设计挑战
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过去，电源(psu)的能效通常引用一个单一的数字来说明可能的最佳能效。然而，在许多应用中，psu在不同的负载水平下工作，很少能达到标题中提到的能效标准。特别是，当psu在较低的功率水平下运行时，这就是个问题。
—80 plus是个推荐标准，旨在解决整个负载范围内的高能效问题。它规定了从“基本”到“titanium”的六个级别在20%、50%和100%负载下要求达到的最低能效水平是80%。
—titanium级别是最高的，比80 plus增加了要求，即使在10%的负载需达到90%的能效，这是最严格的要求，只有更高功率的psu才有可能实现。
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虽然硅基半导体器件近年来有了很大的改进，但80 plus的严苛要求意味着需要新的技术来达到最高能效水平——特别是titanium标准。碳化硅(sic)和氮化镓等宽禁带(wbg)技术正成为主流，使设计的能效高达99%。
sic可能更成熟，但gan具有更低的导通电阻和更快的开关速度，有些人将其描述为“理想的开关”。基于gan的高电子迁移率晶体管(hemt)显然在具挑战的高能效应用中具有很大的优势。最简单的gan开关被配置为常开，但现在常见的增强型或“e型”在施加零栅源电压时是关断的。这样做的好处是使它们至少在最初以类似于硅mosfet工作的方式工作。
服务器psu是最高要求的应用之一，只允许4%的损耗，使图腾柱pfc(tppfc)级通常与llc或移相全桥(psfb)等谐振dc-dc转换器和同步整流输出级相结合。
图1：采用图腾柱pfc级和psfb全桥的服务器psu设计，采用gan开关
在整个psu中分担损耗，允许每个阶段有2%的损耗，这说明必须在gan开关的开关和静态损耗之间取得良好的平衡。
增加裸片面积可减少静态损耗，但这也会增加器件电容，反过来又会增加每个开关周期所需的电荷。这意味着减少静态损耗将导致开关(动态)损耗的增加，尽管这种影响在gan器件中相当小，而且明显好于硅基器件。
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总结
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