借助高集成度TOLL封裝GaN器件推動電源設(shè)計創(chuàng)新

當今的電源設(shè)計要求高效率和高功率密度。因此，設(shè)計人員將氮化鎵 (GaN) 器件用于各種電源轉(zhuǎn)換拓撲。

GaN 可實現(xiàn)高頻開關(guān)，這樣可減小無源器件的尺寸，從而增加密度。與硅和碳化硅 (SiC) 之類的技術(shù)相比，GaN 還可降低開關(guān)、柵極驅(qū)動和反向恢復(fù)損耗，從而提高電源設(shè)計效率。

您可以使用650V GaN FET進行AC/DC至DC/DC轉(zhuǎn)換，或使用100V或200V GaN FET進行DC/DC轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)電源供應(yīng)。

如果您從事尖端產(chǎn)品的研發(fā)，為了簡化采購團隊的供應(yīng)鏈，選擇采用業(yè)界通用封裝的器件也很重要。因此，對于 650V 應(yīng)用，變壓器外形無引腳 (TOLL) 封裝在高功率電源設(shè)計中越來越受歡迎。

除了選擇業(yè)界通用器件之外，德州儀器 (TI) 的 LMG3650R035 GaN 場效應(yīng)晶體管 (FET) 之類的集成器件在創(chuàng)建跨各種電源拓撲的高密度、可靠運行的設(shè)計時也可發(fā)揮重要作用。該器件具有集成柵極驅(qū)動器以及過流保護、過熱保護和短路保護等保護電路。集成保護電路有助于減少實現(xiàn)這些特性所需的外部元件。該器件還支持高壓應(yīng)用中的多種電源拓撲，包括圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC)、電感電容器、相移全橋和雙有源電橋。

集成柵極驅(qū)動器可幫助您創(chuàng)建簡潔的高密度布局，同時顯著減少寄生耦合，如圖1所示。集成在高開關(guān)頻率的電源轉(zhuǎn)換中變得尤為重要，因為柵極環(huán)路中的電路寄生耦合會導(dǎo)致柵極噪聲和重疊損耗增加。使用集成式功率級，寄生耦合可以忽略不計，并且能簡化布局。

(a)

(b)

圖1 電路寄生效應(yīng)集成式GaN功率級與分立式 GaN

TI高壓TOLL器件的應(yīng)用領(lǐng)域

讓我們回顧一下TI的TOLL器件的幾個主要應(yīng)用領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中，您可以利用集成保護特性、集成零電壓檢測（可減少第三象限損耗）以及可忽略不計的寄生耦合導(dǎo)致的更低重疊開關(guān)損耗。

用于數(shù)據(jù)中心和電信供電的PSU

隨著對數(shù)據(jù)中心和超大規(guī)模計算的需求不斷增長，打造高效且高功率密度的電源單元 (PSU) 的需要將呈指數(shù)級增長。即使電信領(lǐng)域從 4G 發(fā)展到5G（以及現(xiàn)在的 6G），設(shè)備的功率要求也在不斷提高，而外形尺寸仍然不變。

這種情況成為集成 650V TOLL 器件的典型用例，主要通過PFC和DC/DC級將交流電源轉(zhuǎn)換為直流總線，如圖2所示。對于前面提到的拓撲，我們采用 TOLL 封裝的 GaN 器件可在PFC級實現(xiàn)超過99%的效率，在DC/DC級實現(xiàn)超過98%的效率。

圖2 PSU方框圖

太陽能微型逆變器

太陽能作為一種電源正在呈現(xiàn)上升趨勢。如 圖3所示，雙向DC/DC和PFC以及逆變器級均可使用集成GaN TOLL器件將太陽能電池板電壓轉(zhuǎn)換為交流電。隨著清潔能源要求的迅速提高，使用業(yè)界通用器件實現(xiàn)高效率、高功率和小尺寸非常重要。

TOLL GaN器件可通過業(yè)界通用的封裝尺寸和集成特性增加價值。這些器件可幫助您使用不同的漏源導(dǎo)通電阻調(diào)整到不同的功率級別以及不同拓撲，同時不需要費心考慮布局，因為大多數(shù)檢測和優(yōu)化特性都已集成在功率級中。

圖3 微型逆變器方框圖

電視電源

大屏幕（40 英寸以上）電視市場具有相當大的增長潛力，而且出于美學考慮，屏幕變得越來越輕、越來越薄。由于屏幕越大對功率的要求越高，但更為輕薄，因此提高電視的能效非常重要。AC/DC 轉(zhuǎn)換可以利用 PFC 和 DC/DC 級中的 TOLL 器件。

集成 TOLL GaN 器件讓您能夠保持無源器件的尺寸不變，并通過簡單的布線盡可能減少外部電路，從而獲得更薄的印刷電路板。該設(shè)計還將更加高效，同時仍采用業(yè)界通用封裝。

3W和4W車載充電器

在全球致力于努力減少尾氣排放的時代，汽車電氣化的新聞經(jīng)久不衰。輕松實現(xiàn)移動充電要求電動汽車上有車載充電器 (OBC)。由于 OBC 在電動汽車中位于底盤，因此它應(yīng)具備高功率密度和高效率，以盡可能縮小占用的空間并降低損耗，因為沒有主動冷卻功能來耗散損耗。

圖4顯示了典型的OBC方框圖。高集成度的TOLL GaN器件可以幫助PFC和DC/DC級通過集成以及更高的開關(guān)頻率來優(yōu)化設(shè)計尺寸，并降低損耗（柵極驅(qū)動和開關(guān)損耗）以實現(xiàn)更有效的熱耗散。利用TOLL GaN器件，在器件級還支持所有保護功能，這將有助于提高OBC設(shè)計的彈性，同時保持業(yè)界通用的封裝尺寸。

圖4 車載充電器

結(jié)語

未來電源設(shè)計人員面臨的最大設(shè)計挑戰(zhàn)之一，是如何以盡可能低的損耗和高密度設(shè)計達到不斷提高的功率等級。通過將集成GaN與業(yè)界通用封裝相結(jié)合，高集成度TOLL GaN器件可提供出色的性能，還免去了額外電路和復(fù)雜PCB布局的麻煩。這有助于降低設(shè)計的冗雜程度。此外，這還將強化其他終端設(shè)備領(lǐng)域的設(shè)計，例如，同樣重視簡單、高密度設(shè)計的電機驅(qū)動器、工業(yè)電源和電器電源。

隨著GaN FET技術(shù)的突飛猛進，我們將在未來不斷投資和提高TOLL器件的品質(zhì)因數(shù)，從而幫助設(shè)計人員努力在同一領(lǐng)域提供更高的功率。