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业界首款330W基于氮化镓器件的图腾柱 PFC +LLC适配器电源量产解决方案
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业界首款330W基于氮化镓器件的图腾柱 PFC +LLC适配器电源量产解决方案

2022-04-06 14:05:51 来源:镓未来科技

【哔哥哔特导读】珠海镓未来科技是国内领先的氮化镓功率器件生产企业,致力于Cascode结构氮化镓产品的研发和生产,该结构结合了硅器件的易用性和氮化镓器件的高频率高效率的特点,可以实现高达10千瓦的高功率密度电源解决方案。

公司简介:

珠海镓未来科技是国内领先的氮化镓功率器件生产企业,致力于Cascode结构氮化镓产品的研发和生产,该结构结合了硅器件的易用性和氮化镓器件的高频率高效率的特点,可以实现高达10千瓦的高功率密度电源解决方案。

1. 市场痛点:

手机、笔记本电脑、平板电脑、switch以及各种随身穿戴设备占据了我们生活中的方方面面。在摩尔定律的影响下,电子产品的性能不断提升,其所对应的电源适配器功率的要求也在不断提高。

以往的300W以上的大功率电源适配器,出于体积和干扰的考量。用传统PFC线路的4个二极管组成输入整流桥。但由于二极管的Vf几乎恒定,无论并联多少颗二极管,输入整流桥的损耗几乎没有办法得到改善,所以传统电源适配器效率难以提升。输入整流桥所带来的损耗也使得适配器在工作当中发热严重。从而造成为了解决散热而增大适配器体积的恶性循环。

为了解决这一系列的问题,图腾柱PFC应运而生。设计人员使用4颗MOSFET集合了整流和PFC的功能,将元器件数量减少的同时,也将整流桥效率提升。但传统COOLMOS管存寄生三极管, 当DV/DT过高时,易使寄生三极管导通,发生雪崩击穿。同时COOLMOS存在体二极管反向恢复带来的直通电流和损耗问题,所以当下管turn on的时候,Qrr造成的电流能直接把MOS烧毁。而为了解决这个问题,只能采用CRM模式,让电流降为0的时候再开启,代价就是平均电流、功率只有原来的一半。

而GaNext GaN就可以完美解决以上问题。GaN导电原理是通过氮化镓和铝镓氮两层之间的压电效效应形成的二维电子气导电的,所以GaN没有体二极管和寄生三极管,不会发生DV/DT失效模式。同时我们在图中可以看到,跟CoolMOS相比,氮化镓的Qg和输出电容都是其五分之一。GaN的Qrr是CoolMOS的200分之一!哪怕是跟专门用于快恢复的CoolMOS相比, Qrr性能也是要好10倍以上。这意味着GaN 使得图腾柱PFC可以工作在连续电流模式提高效率的同时也不牺牲功率密度,用更小的电感实现99.1%的转换效率。

 

珠海镓未来科技采用GaN器件无桥图腾柱PFC方案,设计上去除了输入整流桥部分无法避免的损耗,解决了传统FPC线路效率无法提升的问题。同时通过Cascode GaN的应用,解决图腾柱PFC MOSFET反向恢复电荷Qrr过高的只能采用CRM工作模式的问题。用具有极低等效Qrr的Cascode GaN器件,使得PFC可以工作在连续电流模式提高效率的同时也不牺牲功率密度,用更小的电感实现高达99.1%的转换效率。

Totem-pole Bridgeless图示

2. Ganext-规格特点

近期,针对中国国标强制法规GB 20943以及欧洲电工标准化委员会IEC 61000-3-2的要求。珠海镓未来采用G1N65R150PB和G0N65R070PB两款低动态内阻Cascode氮化镓器件,搭配安森美NCP1680,率先实现了330W基于氮化镓器件的智能混合信号无桥图腾柱 PFC +LLC 96.3% 电源能效量产解决方案。

330W GaN电源关键参数表:

Parameter

Value

Input AC Voltage(Vin)

90-264 Vrms

Input Frequency Range

50/60 Hz

Max.Output Power

330W

Output Voltage and Current

20V 16.5A

Full-load Efficiency

96.3%

Output voltage ripple

<300mV

Cased Power Density

23.1W/in3

Operating temperature

0-40

Performnce

Specification

Input socket

Three pins

Heat dissipation

Natural convection

Board Dimension with Case

120mm X 78mm X 25mm

Surface temperature rise

<50

Touch Temperature @20V/16.5A

IEC 62368-1

EMI Standard

EN55032 CE & RE Class B

System Protections

TSD,OLP,OVP,OCP,SCP,Open Loop

镓未来330W GaN电源整机能效对比市面上普通在售产品,半载测试下提高了接近3%的转换效率,在满载情况下提高了接近2%的转换效率。节能提升30.49%,预计可以为单台电源设备年节省60-90度电。

220V效率对比图示:

330W GaN电路拓扑图示:

3. GaN 器件

珠海镓未来科技G1N65R150PB和G0N65R070PB, 兼容SuperJunction驱动,在25度环境温度下动态内阻不超过150mohm和70mohm,提供TO-220插件封装。以其强壮的抗干扰能力和简易的驱动方式,助力用户实现简洁高效的150W-1500W电源方案。

l 更低动态电阻,提高转换效率

在高压应用中,尽管氮化镓器件可以大大降低开关损耗,但存在一个对导通损耗不利的特性,称为动态内阻。从高压阻断状态变化成导通状态后的一小段时间,氮化镓器件不能立刻工作到长时间导通的内阻状态(静态内阻),此时的阻值高于静态内阻。普通增强型氮化镓器件比静态上浮30%左右,尤其是在150度结温时,动态内阻往往高达25度结温时静态内阻的250%。G1N65R150PB和G0N65R070PB采用特殊工艺,动态内阻得到降低,25结温时动态内阻仅150mohm和70mohm,150度结温时仅为25度结温时的1.5倍,极大的降低了导通损耗,满足了200W~330W适配器的苛刻散热要求。

l 更高栅极耐压,从容应对多种控制器方案。

相别于普通增强型氮化镓功率器件不超过7.5V的栅极耐压,镓未来的所有氮化镓产品栅极可以耐受的极限电压高达20V,这就可以兼容用于驱动超结器件的控制器。这些控制器的驱动电压通常为12V,如果用于驱动普通增强型氮化镓器件,需要增加分压阻容网络和钳位齐纳二极管,驱动线路多达8个器件。而采用镓未来的氮化镓器件,驱动线路仅需3个电阻及一个二极管,与传统硅超结器件相同,简洁的外围电路有效降低了占用的PCB面积,特别适合小尺寸的快充设计。

l 更高阈值电压,避免误导通

普通增强型氮化镓的阈值电压通常不超过1.7V,这与硅超结器件(典型值一般在3V左右)相比,其抗噪声干扰能力降低,增加了误导通的风险了。因此产品封装和Layout处理起来相对比较麻烦,需要尽可能减少源极寄生电感的影响。G1N65R150PB和G0N65R070PB将开通阈值电压提高到了3.5V, 可以有效降低栅极噪声带来的误导通风险,电源产品设计更为容易。

G1N65R150PB和G0N65R070PB已经正式量产,并且在330W量产方案上实现了最高96.3%的转换效率。

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