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富昌電子發布時間：03-1011:12作者：Edwin Kluter，富昌電子EMEA業務拓展經理（電源解決方案），Eagan Moreau，Exagan產品和應用總監閱讀本文以了解：GaN和硅功率晶體管的性能特征比較符合USB Power Delivery規范的60W AC-DC電源適配器的拓撲選擇使用G-FET GaN晶體管的60W適配器參考設計的熱和電氣性能采用寬帶隙半導體材料氮化鎵（GaN）制造的標準封裝功率晶體管產品市場正快速發展，這是因為AC-DC功率轉換器和其他功率電子應用的制造商發現它們可以實現非常高的系統效率。商用GaN功率晶體管現在提供的額定功率和額定電壓使其既適合于低于100W的消費類設備，又適合于工業和通信設備中的更高功率應用。在傳統上會使用硅超結MOSFET或IGBT的應用中，GaN晶體管的更高開關速度、可忽略不計的開關損耗和傳導損耗，以及高溫操作的耐受能力使設計人員能夠實現以下功率轉換器設計：更高效更小更輕在系統級更經濟（即使GaN晶體管的單位成本高于同等額定電壓的硅晶體管）GaN晶體管的使用已經使消費類設備的電源適配器制造商在功率密度方面取得非凡的進步。在1980年至2015年期間，對基于硅的開關模式電源技術的改進將AC-DC轉換器的典型功率密度從1.5Win3提高到10Win3。然而，自2015年以來的短短五年內，隨著GaN功率晶體管的商用，性能最佳的AC-DC轉換器的功率密度已從10Win3提升至30Win3。但是，要充分利用功率轉換器中GaN晶體管的優越特性，設計人員應該選擇最適合該技術和應用的拓撲結構。基于超結MOSFET的轉換器的系統架構很少會同樣適用于使用GaN晶體管的轉換器。為了說明這種情況，本文介紹了一種60W AC-DC電源轉換器的新參考設計，該轉換器符合最新的USB Power Delivery（PD）3.0規范。得益于Exagan的G-FET GaN晶體管的超高效率，這款USB PD 3.0參考設計板可容納在一個內部尺寸為36mm x 34mm x 30mm的外殼中，該設計的功率密度達到29Win3。GaN與硅超結：有本質區別嗎？眾所周知，寬帶隙材料（例如GaN和碳化硅SiC）的屬性可在功率轉換器系統中產生出色的工作特性。但是，商用GaN晶體管和用硅制成的MOSFET之間的區別是否足以證明向新技術遷移的設計工作是合理的？圖1顯示了GaN晶體管與性能最佳的超結類型的硅功率MOSFET的差異程度。通常，使用GaN晶體管具有以下優勢：高開關頻率真正的高頻軟開關低損耗硬開關低功耗簡化熱管理通常，使用GaN晶體管可獲得更高的轉換效率，這意味著它們在任何給定的功率負載下運行的溫度都較低，從而減少或消除了對散熱器或其他冷卻機制的需求，并使轉換器能夠在氣流受到更多限制的較小外殼里安全地運行。由于工作頻率較高，因此可使用較小的磁性元件和電容器，從而提高功率密度并降低無源元件的成本。在實際應用中實現GaN的優勢為了從這些優越的工作特性中獲得最大的收益，電源系統設計人員需要認識到GaN晶體管提供的不同工作模式。例如，在USB PD 3.0電源適配器中，系統需要靈活性來處理各種負載，包括USB連接的外設（如耳機）的低功耗要求。USB PD協議支持多個外設的優化電源管理，提供了通信通道以及電源通道，因此每個外設只需請求其所需的電源輸入。因此，USB電源適配器能夠理想地在整個負載范圍內提供高水平的轉換效率。在為60W USB適配器開發新的G-MODULE參考設計時，總部位于法國格勒諾布爾的GaN晶體管制造商Exagan對基于硅MOSFET的設計中常用的兩種反激拓撲進行了評估。它的研究表明，兩者均提供比第三種有源鉗位反激式拓撲（可以通過一對GaN晶體管有效地實現）低得多的功率效率。這三種拓撲的特性如圖2所示。圖1：基于硅和GaN的功率晶體管的工作特性比較圖2：適用于低于100W AC-DC電源適配器的反激式拓撲比較CCM = 連續導通模式 QR = 準諧振 PSR = 初級側調節盡管有源鉗位反激拓撲比準諧振或連續導通模式拓撲更復雜，但由于有源鉗位反激電路的軟開關操作可產生低電磁輻射，消除了對防EMI措施的需求，因此也減少了一些元器件數量。但是，為USB PD電源適配器選擇有源鉗位反激式拓撲的主要原因是效率很高。這有助于符合嚴格的能源效率標準，例如美國能源部的VI級法規。它還可以將熱損耗降至最低，實現無風扇運行且在小機箱內無需散熱。Exagan憑借其60W USB PD參考設計實現的功率密度方面的突破使其能夠為USB電源適配器創建新的小尺寸產品，從而滿足了消費者對更小、更輕、更時尚的消費類設備和外設的需求。令人高興的是，較小的終端產品設計還降低了適配器制造商的材料和運輸成本。更高性能的USB電源適配器通過研究G-MODULE 60W USB PD適配器板的性能特性，可以證明使用GaN晶體管和有源鉗位反激拓撲的優勢，如圖3所示。該板在90V至265V AC輸入范圍內工作，可在USB PD指定的5V、9V、12V或20V DC電壓值下產生3A輸出。該評估板集成了一個具有平面繞組的RM8變壓器芯，以及一個對有源鉗位反激電路進行逐周期電流模式控制的微控制器。該適配器具有全面的保護功能，包括：輸出過流保護輸出反接保護輸入過壓保護晶體管級過熱關斷保護與使用硅超結MOSFET的典型60W USB PD設計相比，Exagan適配器可將功耗降低一半，并將功率密度提高3倍。當使用240V AC輸入向滿載供電時，G-MODULE適配器的系統效率可達到95％的峰值。更高的轉換效率和更低的功率損耗還帶來了出色的熱效率：G-MODULE中的650V G-FET開關的工作溫度比等效適配器設計中的超結硅MOSFET低10°C 至15°C，如圖4所示。圖3：Exagan G-MODULE板，一種60W USB PD電源適配器圖4：為60W負載供電時G-MODULE板的熱量圖Exagan進行的產品測試表明，硅超結MOSFET在較大設計中的工作溫度為86°C，功率密度為17Win，在更緊湊設計中的工作溫度為89°C，工作功率為27Win3。在使用其他制造商的GaN晶體管的設計中，開關的工作溫度為74°C，比G-MODULE板上的低邊G-FET開關高約4°C。這凸顯了G-MODULE適配器中使用的G-FET晶體管的關鍵優勢之一：超低的開關和傳導損耗，這是G-MODULE板中開關工作溫度較低的原因。此外，G-FET更易于應用在電源系統設計中：與競爭對手的GaN晶體管不同，它可以由硅MOSFET的常規柵極驅動器驅動。它與標準的10V模擬柵極驅動信號一起工作，沒有柵極泄漏，也不需要負電壓將其強制設為“關斷”狀態。其堅固的柵極可承受±20V的最大電壓。相比之下，其他GaN晶體管則需要專用的驅動器IC，這限制了組件的選擇并增加了BoM成本。而且，Exagan的G-MODULE 60W USB電源適配器提供了一種高效率、高密度電路類型的理想演示，可以通過現成的GaN晶體管（如G- FET產品）來實現。它還適合用作商業USB電源適配器，實現29Win3功率密度、高效率和簡單熱管理的新組合。關于富昌電子：富昌電子（Future Electronics）是全球領先的電子元器件分銷商，提供全球供應鏈解決方案、定制化工程設計服務以及全面的無源及半導體產品線，在業界享有盛名。富昌電子由Robert Miller先生于1968年創立，在全球44個國家的169個辦事處擁有超過5500名員工。作為一家全球整合的公司，富昌電子依托全球一體化信息平臺，使客戶能夠實時查詢庫存情況和供需動態。憑借最高水平的服務、最先進的工程設計能力以及全球最大的可銷售庫存，富昌電子始終秉承著成就客戶的理念。相關搜索晶體管工作原理晶閘管LED電源照明功率密度電源適配器響電源適配器電路

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