氮化鎵：相得益彰的高效解決方案覆蓋中功率應(yīng)用

導(dǎo)讀

2022美國(guó)國(guó)際電力電子應(yīng)用展覽會(huì)（APEC）期間，Power Integrations（PI）舉辦新品媒體溝通會(huì)，資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光介紹了使用組合芯片實(shí)現(xiàn)的中功率應(yīng)用高效電源解決方案。他表示，新推出的兩款產(chǎn)品采用的是兩級(jí)架構(gòu)，第一級(jí)是PFC（功率因素校正）；第二級(jí)是DC-DC變換。第二級(jí)變換采用LLC拓?fù)?，也就是諧振式電源。

新產(chǎn)品用內(nèi)部集成750V PowiGaN 氮化鎵開(kāi)關(guān)的HiperPFS-5 PFC IC作為第一級(jí)；第二級(jí)是HiperLCS，其效率非常高，諧振式軟開(kāi)關(guān)操作總輸出功率可達(dá)270W，覆蓋中功率應(yīng)用范圍。

那么，這一對(duì)新產(chǎn)品究竟有什么優(yōu)勢(shì)，又怎么使用呢？我們往下看。

為什么使用氮化鎵開(kāi)關(guān)？

近年來(lái)，氮化鎵開(kāi)關(guān)非?；鸨?，PI的InnoSwitch3內(nèi)部就集成了氮化鎵開(kāi)關(guān)，在本次發(fā)布的新品中也使用了氮化鎵開(kāi)關(guān)。閻金光說(shuō)，氮化鎵開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻低，比硅器件效率更高，尤其是在低壓輸入、高電流時(shí)。在同樣功率下，輸入電壓越低，電流越大，導(dǎo)通損耗所占比例也越高。傳統(tǒng)硅器件的導(dǎo)通電阻比氮化鎵器件高，所以損耗更多。

在低壓時(shí)，使用PI的PowiGaN氮化鎵開(kāi)關(guān)可以將產(chǎn)生的熱量降低40%。以65W適配器為例，比較硅開(kāi)關(guān)和PowiGaN氮化鎵開(kāi)關(guān)，低壓時(shí)熱量明顯減少，而在高壓情況下，PowiGaN也會(huì)將原來(lái)使用硅開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的熱量降低25%，效率從92%提升到94%左右。針對(duì)電源體積一般都很小的情況，如果能大幅度降低熱量，電源溫升改善將非常明顯。

采用PowiGaN可以將電源尺寸做到信用卡大小，InnoSwitch4中除了用到PowiGaN氮化鎵開(kāi)關(guān)，還可利用ClampZero實(shí)現(xiàn)有源鉗位反激電源設(shè)計(jì)。MinE-CAP也集成了氮化鎵開(kāi)關(guān)，主要用來(lái)降低輸入大電解電容尺寸。目前PI三個(gè)產(chǎn)品系列中都使用了氮化鎵功率器件，以實(shí)現(xiàn)全氮化鎵AC-DC反激電源解決方案。

增加功率給高效率帶來(lái)哪些挑戰(zhàn)？

閻金光表示，隨著USB PD3.1規(guī)格的推出，適配器電源功率越來(lái)越大。當(dāng)輸入功率超過(guò)75W時(shí)，必須滿(mǎn)足功率因數(shù)要求。一般是在電源前級(jí)加一個(gè)PFC校正電路，使交流輸入端的電流相位完全跟蹤電壓。

通常，人們希望交流電網(wǎng)兩端接的負(fù)載是純電阻，其特性在于輸入電壓和輸入電流的相位總是相同，但如果負(fù)載是電容性或電感性這樣的電抗性負(fù)載，電壓和電流就會(huì)有相位差。電壓乘以電流等于功率，如果電壓和電流相位不同，乘積就會(huì)變小，負(fù)載實(shí)際使用到的有功功率就非常低。過(guò)多的功率會(huì)在電源供電端傳輸線(xiàn)上損耗掉。所以，功率比較大時(shí)要求有功率因數(shù)校正功能，因?yàn)槿绻β室驍?shù)比較低，電網(wǎng)上看到的功率是100W，而實(shí)際只能用80W。這時(shí)功率因數(shù)是0.8，所以有20W線(xiàn)上損耗也要付電費(fèi)。

以前做單級(jí)電源無(wú)散熱片設(shè)計(jì)時(shí)，AC進(jìn)來(lái)直接由電源變換出DC，實(shí)際效率達(dá)到95%才能實(shí)現(xiàn)無(wú)散熱片設(shè)計(jì)，以保證電源的高功率密度和小體積。但現(xiàn)在輸出功率增大了，輸入功率也會(huì)增加。在有功率因數(shù)較正的情況下，電源內(nèi)部是一個(gè)兩級(jí)結(jié)構(gòu)，前面一個(gè)PFC前級(jí)，后面一個(gè)DC-DC變換級(jí)。保證效率大于94%才能實(shí)現(xiàn)無(wú)散熱片設(shè)計(jì)，其中的元件數(shù)目會(huì)更多，兩級(jí)電源散熱也更加難以處理。

面臨挑戰(zhàn)是：隨著功率增加需要有功率因數(shù)校正，原來(lái)的單級(jí)方案必須用兩級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)；而兩級(jí)效率又不能太低，否則總體效率會(huì)下降，電源發(fā)熱嚴(yán)重。因此，一定要把兩級(jí)電源設(shè)計(jì)的前級(jí)PFC效率做高，同時(shí)讓DC-DC變換效率盡量高，才能保證整體散熱滿(mǎn)足溫升要求。

如何實(shí)現(xiàn)200W以上應(yīng)用的高效率？

閻金光介紹說(shuō)，為了應(yīng)對(duì)兩級(jí)電源效率的挑戰(zhàn)，PI推出了兩款產(chǎn)品，一款是HiperPFS-5，內(nèi)部集成了氮化鎵的功率開(kāi)關(guān)管，每一級(jí)效率都保證大于98%。其前級(jí)是功率因數(shù)校正，可保證輸入電流和輸入電壓同相。前級(jí)功率變換的輸出通常是一個(gè)高壓直流，在400V左右，經(jīng)過(guò)后級(jí)二次變換成所需的輸出電壓。第二級(jí)用到了PI的第二款芯片組產(chǎn)品，其中一個(gè)芯片內(nèi)部集成了LLC拓?fù)渲械纳瞎芎拖鹿埽捎玫氖?00V耐壓的FREDFET MOS管，而不是氮化鎵開(kāi)關(guān)，因?yàn)長(zhǎng)LC應(yīng)用頻率并不太高，加上母線(xiàn)高壓，電流比較小，也體現(xiàn)不出氮化鎵低導(dǎo)通電阻的優(yōu)勢(shì)。而FREFET的體二極管良好的反向恢復(fù)特性，也利于優(yōu)化LLC的性能。

LLC工作時(shí)其功率開(kāi)關(guān)管半橋以諧振方式工作，兩個(gè)MOS管都能以零電壓模式開(kāi)關(guān)（ZVS），可以將開(kāi)通損耗減小到零，即器件兩端電壓為零時(shí)才開(kāi)始開(kāi)通開(kāi)關(guān)管，電流才開(kāi)始上升。這種工作方式中開(kāi)通損耗的降低，就可以把兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管封在一個(gè)IC中，僅利用PCB進(jìn)行散熱。

第二個(gè)IC是次級(jí)控制器，跨接在二次電源初級(jí)和次級(jí)之間，通過(guò)FluxLink 將次級(jí)的反饋信號(hào)傳送給功率變換器件。兩個(gè)芯片一定要搭配工作。這樣才能保證初級(jí)半橋開(kāi)關(guān)管和次級(jí)輸出同步整流管的開(kāi)關(guān)時(shí)序最優(yōu)化。

他解釋說(shuō)，整體電源架構(gòu)有三個(gè)芯片，實(shí)際上是兩套IC，一個(gè)是功能因數(shù)校正，另一個(gè)是LLC芯片組。由于已將很多消耗功率的功能都集成到IC內(nèi)部，總體空載功耗可以小于40mW，對(duì)一些適配器應(yīng)用非常有幫助，可以在元件數(shù)目很少的情況下提升功率密度，同時(shí)減少不必要的功耗，使待機(jī)功耗最低。

用極少元件實(shí)現(xiàn)有源PFC

兩級(jí)架構(gòu)中的前級(jí)有源PFC以可變頻DCM（非連續(xù)導(dǎo)通模式）方式工作；功率因數(shù)校正變換可以設(shè)計(jì)工作于不同的工作方式，可以是連續(xù)模式，也可以是臨界模式或非連續(xù)模式。對(duì)于功率較小的應(yīng)用，如250W內(nèi)，通常采用CRM（臨界模式）或DCM，因?yàn)殡姼辛勘容^小，輸出二極管沒(méi)有反向恢復(fù)問(wèn)題。CCM（連續(xù)導(dǎo)通模式）雖然可以實(shí)現(xiàn)更高的效率，但必須考慮升壓二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題，不只是二極管成本會(huì)增加，反向恢復(fù)期間發(fā)生的高頻振蕩對(duì)EMI也會(huì)有所影響，同時(shí)連續(xù)模式的升壓電感由于感量比較大，成本和體積都會(huì)增加。

這次發(fā)布的HiperPFS-5則工作于非連續(xù)工作模式，而在輸入電壓最低時(shí)工作與臨界模式。這種設(shè)計(jì)除了考慮到整體方案的成本以外，還考慮了電源本身所占用的空間，利于實(shí)現(xiàn)高功率密度小體積的設(shè)計(jì)。芯片獨(dú)有的功率管導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間分別進(jìn)行控制的方式，可以保證在90VAC低壓輸入時(shí)電壓波峰處的工作頻率最高，這樣可以大大縮小所需升壓電感的感量，進(jìn)而縮小電感體積。而傳統(tǒng)的臨界工作控制方式往往在交流輸入電壓波峰處的開(kāi)關(guān)頻率是最低的，這樣就不得不使用感量更高的升壓電感。

如果要用輸入電流跟蹤輸入電壓，則必須知道輸入電壓波形，HiperPFS-5中采用數(shù)字的電壓采樣方式，即IC內(nèi)部有ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換），這樣可以濾掉波形中存在的輕微失真。比如前端輸入電壓如果來(lái)自于發(fā)電機(jī)或者UPS電源，其輸入往往不會(huì)是理想的正弦波形。

X電容放電是防觸電的安規(guī)要求，在DCM模式中，因?yàn)榉逯惦娏骱艽?，可能?huì)有差模EMI分量比較高問(wèn)題，抑制差模EMI的有效方式是采用X電容，而過(guò)大的電容則需要相應(yīng)的放電電阻，以保證交流掉電后X電容能被短時(shí)放電。如果阻值較小的放電電阻始終跨接在交流輸入端之間，則電源工作時(shí)的待機(jī)或空載功耗表現(xiàn)就會(huì)變差。PI將以前的CapZero IC的X電容放電控制功能也集成進(jìn)了HiperPFS-5。在交流掉電后內(nèi)部的開(kāi)關(guān)才會(huì)導(dǎo)通，將放電電阻接于X電容兩端進(jìn)行放電。電源正常工作期間，放電電阻本身沒(méi)有功耗。

新品的另一個(gè)特點(diǎn)是用自供電，可節(jié)省外部供電電路?？墒褂煤竺娴腄C-DC或另一個(gè)繞組給IC進(jìn)行供電。在PFC電路中，市場(chǎng)上大多數(shù)方案使用充電泵，有三、四個(gè)元件。PI的方案可以實(shí)現(xiàn)漏極自供電，在內(nèi)部就可以為控制器供電，省掉了一些元件，方案更加簡(jiǎn)潔。

HiperPFS-5內(nèi)部集成了一個(gè)750V耐壓PowiGaN氮化鎵開(kāi)關(guān)，可耐受雷電沖擊，防止經(jīng)PFC直接沖擊后面的DC-DC變換。在230V滿(mǎn)載時(shí)，效率可達(dá)98.3%，有助于降低溫升，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)效率。

另一個(gè)技術(shù)是功率因數(shù)增強(qiáng)（PFE），在高壓輸入和20%負(fù)載時(shí)仍可保證功率因數(shù)大于0.96。這種功能是在高壓輸入輕載情況下，芯片會(huì)自行調(diào)整輸入電流的波形，以補(bǔ)償由于過(guò)高的輸入X電容造成的波形畸變及功率因數(shù)變差。而經(jīng)優(yōu)化的準(zhǔn)諧振（QR）模式則能夠改善開(kāi)通損耗，尤其在輸入電壓比較高的情況下。

總之，HiperPFS-5獨(dú)特的控制引擎可以實(shí)現(xiàn)98%以上的效率，可變頻能夠保證輕載效率，準(zhǔn)諧振方式可以保證降低高壓輸入時(shí)的開(kāi)通損耗；非連續(xù)模式可以用更小感量的升壓電感，體積也會(huì)相應(yīng)縮??；頻率滑動(dòng)技術(shù)能夠保證重輕載效率都比較高，頻率變化還可以降低EMI；采用氮化鎵開(kāi)關(guān)輸出功率可達(dá)到240W，涵蓋大部分中功率應(yīng)用；超薄InSOP-28F封裝，下面露出裸橫盤(pán)，有助于散熱，芯片高度只有1.9mm。

怎樣確保變換效率最佳？

新推出的HiperLCS-2芯片組是采用LLC諧振控制及同步整流的方案。為什么這樣的結(jié)合可以確保變換效率最佳呢？

閻金光說(shuō)，第一代的HiperLCS產(chǎn)品沒(méi)有同步整流，現(xiàn)在將控制芯片跨接在LLC變換的初級(jí)和次級(jí)之間。利用FluxLink的高帶寬傳輸特性，實(shí)現(xiàn)快速精確的開(kāi)關(guān)時(shí)序控制。將同步整流的優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大。同步整流在反激電源中用的比較多，主要是為了改善整流效率，它比二極管導(dǎo)通損耗更低，整體電源效率更高。由于LLC拓?fù)鋺?yīng)用的功率范圍相對(duì)于反激更大，輸出電流較高時(shí)，使用同步整流也成為進(jìn)一步提高效率的關(guān)鍵。

初級(jí)側(cè)集成的兩個(gè)600V耐壓FREDFET具有恢復(fù)特性良好的體二極管，可以實(shí)現(xiàn)上下管更短的死區(qū)時(shí)間。反向恢復(fù)更好，設(shè)計(jì)中很多限制條件就可以放寬，更易于設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)MOS管也有寄生二極管，但其反向恢復(fù)特性非常差。反向恢復(fù)特性比較差，除了造成損耗，還會(huì)使時(shí)序設(shè)計(jì)受到一些限制，影響整體電源效率。所以，只有這個(gè)指標(biāo)很好，才不用嚴(yán)格考慮開(kāi)關(guān)的時(shí)序設(shè)計(jì)，使效率達(dá)到最優(yōu)。

FREDFET的600V耐壓可以滿(mǎn)足母線(xiàn)電壓要求。通常前面PFC的輸出穩(wěn)定在400V，這樣可以提供大約20%裕量，讓電源更加可靠。根據(jù)不同應(yīng)用需求，LLC諧振變換的中心頻率可以通過(guò)外部設(shè)定來(lái)選擇，LLC本身是一個(gè)工作頻率隨負(fù)載和輸入電壓變化而不停變化的工作方式，因而其工作頻率范圍往往較寬。當(dāng)然，頻率越高，無(wú)源元件體積就越小，但頻率太高開(kāi)關(guān)損耗增加，功率器件的消耗也會(huì)增加。中心開(kāi)關(guān)頻率具體設(shè)定多少，取決于具體的應(yīng)用需求。HiperLCS-2可以通過(guò)外部元件將中心頻率設(shè)定于90kHz、120kHz、180kHz及240kHz。無(wú)論中心頻率是多少，半橋開(kāi)關(guān)均是以ZVS軟開(kāi)關(guān)的方式工作的。

外部偏置供電除了給LLC供電外，偏置供電繞組還可以給前級(jí)PFC供電。PFC剛剛啟動(dòng)是自供電，當(dāng)后級(jí)DC-DC變換工作以后，則由后級(jí)變換的變壓器輔助繞組給前級(jí)的PFC控制器供電。LLC的上下管跨在母線(xiàn)兩端，最怕的是兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，會(huì)使母線(xiàn)短路，出現(xiàn)炸機(jī)。HiperLCS-2內(nèi)置的保護(hù)功能可以防止驅(qū)動(dòng)信號(hào)同時(shí)開(kāi)通，還可以實(shí)現(xiàn)過(guò)流或輸出短路、過(guò)功率保護(hù)，而功率開(kāi)關(guān)管的硬開(kāi)關(guān)也會(huì)被芯片及時(shí)檢測(cè)到，進(jìn)而避免硬開(kāi)關(guān)期間的損耗增大，器件損壞。

組合使用滿(mǎn)足多種不同應(yīng)用需求

在同步整流驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，HiperLCS2-SR器件可以通過(guò)FluxLink將輸出電壓電流信息傳輸?shù)桨霕蛑?，以決定開(kāi)關(guān)時(shí)序，次級(jí)側(cè)檢測(cè)也能夠提升輸出電壓電流的精度。

LLC工作的一個(gè)重要特性是在完全空載時(shí)以打嗝模式工作，這種方式會(huì)造成輸出紋波的增加，甚至是電壓失調(diào)。PI的控制引擎中專(zhuān)門(mén)對(duì)打嗝模式做了優(yōu)化，三種打嗝模式可以保證即使在打嗝模式工作期間，輸出電壓仍然能夠維持在輸出穩(wěn)壓范圍。而負(fù)載發(fā)生0-100%的跳變，仍然可以維持輸出電壓的穩(wěn)定。

據(jù)閻金光介紹，PI集成的芯片組有兩個(gè)IC器件：HiperLCS2-HB （半橋器件）及HiperLCS2-SR（隔離控制器件）。其中采用的FluxLink反饋速度非常快，利于滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)負(fù)載變化劇烈的應(yīng)用需求。FluxLink還可以將次級(jí)故障情況反饋至半橋功率器件，確保故障發(fā)生期間功率器件的安全可靠。

HiperLCS-2可為PFC前級(jí)提供偏置供電，效率可達(dá)98.1%。內(nèi)部集成的600V耐壓FREDFET可以滿(mǎn)足PC應(yīng)用鈦金（80 PLUS Titanium）標(biāo)準(zhǔn)，包括輕載效率和輕載PFC要求。

對(duì)于中功率應(yīng)用，保護(hù)電路必須周全，否則會(huì)出現(xiàn)一些災(zāi)難性故障。由于LLC是變頻操作，在205W 90K中心頻率，24V/8.5A輸出的效率可達(dá)98%左右。滿(mǎn)載時(shí)，小于5W的損耗可以使用PCB散熱；在負(fù)載比較輕時(shí)和重載時(shí)，高效的效率曲線(xiàn)比較恒定。

芯片組包括兩套器件：HiperLCS2-HB（功率器件）和HiperLCS2-SR（安全隔離器件）。安全隔離器件只有一個(gè)型號(hào)，可根據(jù)不同頻率選擇不同版本，型號(hào)都是LSR2000C。根據(jù)不同輸出功率范圍，功率器件有三個(gè)選擇：LCS7260C、LCS7262C和LCS7265C，內(nèi)部集成600V FREDFET，80W到220W連續(xù)輸出功率。取決于散熱條件，最大功率為270W，峰值功功率可達(dá)375W。

如果將HiperPFS-5與HiperLCS-2芯片組或InnoSwitch3組合使用，還可適用于多種不同應(yīng)用。單級(jí)的傳統(tǒng)反激電源設(shè)計(jì)中功率只能到65W，功率增加則需要滿(mǎn)足功率因數(shù)要求。用HiperPFS-5加HiperLCS-2，對(duì)于功率較小的應(yīng)用相較于單級(jí)方案，雖然效率稍低，但功率達(dá)達(dá)200W以上時(shí)，單級(jí)方案已經(jīng)無(wú)法繼續(xù)維持高效率工作。因此，針對(duì)不同的應(yīng)用，如果輸出功率比較小，可以用HiperPFS-5加一個(gè)反激電源InnoSwitch3；如果功率比較高，后面加一個(gè)HiperLCS-2。采用組合方案仍然可達(dá)95%以上的效率。

上述組合應(yīng)用非常廣泛，包括大多數(shù)中功率的家電應(yīng)用，如電視機(jī)、USB接口顯示器、游戲機(jī)、電動(dòng)自行車(chē)或打印機(jī)、投影儀、PC機(jī)主電源等。達(dá)到240W、270W輸出功率，也改變了以往50、60W PD應(yīng)用只限于移動(dòng)用電設(shè)備的尷尬局面，是不是給我們一種海闊天空的感覺(jué)呢？

審核編輯 ：李倩