经济型高效率的选择：功率低于100W的AC－DC转换器中GaN晶体管的出现

作者：David Woodcock，卓越电源系统中心经理

近几个月来，一系列新的低成本、紧凑型USB Type-C®充电器已投放市场， 它们利用了USB Type-C协议支持的USB Power Delivery规范的更高功率能力（高达100W）。这些新产品的充电速度比早期的USB充电器更快，但都具有较小的外壳 – 对于移动计算设备的用户而言，这是一项特别宝贵的优势。

这些新产品的功率密度非常优秀：功率密度为20W/in3的60W USB Type-C充电器的价格仅为25欧元（30美元）。以前在这个价格上，USB充电器的功率密度最高仅为10W/in3。

支撑这些新型充电器的高功率密度的新技术是氮化镓（GaN）功率晶体管。在新型USB Type-C充电器中，传统的硅MOSFET功率开关被GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）功率开关取代。这证明GaN功率开关技术在性能和成本方面都取得了巨大进步，因此它正在电力系统中更广泛地取代硅MOSFET。

实际上，GaN HEMT在工业、电信、医疗或军事设备的电源中的使用提供了与在消费类USB Type-C充电器中使用的类似的优势。使用GaN HEMT可获得更高的功率效率，从而使电源系统设计人员可以缩小AC-DC功率级：由于产生的废热较少，因此对散热片或对PCB上铜垫的需求减少。这样既节省成本又节省空间。此外，使用GaN HEMT的电源系统中更低的开关损耗使设计工程师可以设法提高开关频率，从而减小磁性元件的尺寸、重量并降低成本。

因此，这一技术突破现在引起了电源工程师的普遍兴趣也就不足为奇了。

HEMT的工作方式

要了解GaN设计优化的全部潜力，首先需要了解GaN HEMT的基本工作方式。

由于GaN HEMT具有一些出色的物理性能，因此优于硅功率MOSFET。当将氮化铝镓（AlGaN）堆叠到GaN上时，由于两种材料的极化差异，会在界面处形成自发电荷层。其他物理性质将此电荷限制在三维范围内。因此，在界面处会创建二维电荷面。电子可以在其中自由移动，而无需对半导体材料进行任何掺杂（见图1）。  

图1：GaN HEMT的结构截面图（图片来源：富昌电子）

电子的浓度取决于极化的不匹配程度，可以通过调节AlGaN势垒的浓度和厚度来控制，以产生具有很高的电子迁移率和很低的导通电阻（芯片面积的函数）的高性能横向晶体管。

GaN和AlGaN层在合适的衬底材料上外延生长。硅晶片是最常用的衬底。但是一些供应商使用蓝宝石衬底，这在LED行业得到了广泛的应用。两种制造方法都可以基于既定的工艺和易于使用的设备来支持低成本制造。

制造商采用了不同的方法将晶体管变成“常关”器件。所谓的“增强模式”器件在AlGaN/GaN材料的结构中建立了栅极控制的势垒。其他器件通过添加级联串联低压MOSFET实现控制。

直到最近，GaN HEMT的制造商一直专注于提供适用于昂贵的高压系统的器件，在这些系统中，GaN HEMT比硅MOSFET高出的成本更容易接受，因为GaN技术可节省功率并减小尺寸。如今，随着基于GaN的紧凑型USB Type-C充电器的出现，GaN技术也已成为功率低于100W的低成本电源系统的可行选择。  

低压电源系统中流行的转换器拓扑

对于负载功率低于100W的AC-DC电源，默认电源拓扑是反激式转换器。这种拓扑结构是隔离式降压-升压型的最简单形式，包括位于电感器两侧的两个功率开关。

图2展示了该基本拓扑的修改版本，即隔离式反激式转换器。图2c展示了图2a中的简单电感器被隔离式耦合电感器（所谓的反激式变压器）所替代。在该变压器中，次级侧的绕组布置成产生正输出电压。对于采用交流市电输入电源的AC-DC转换器，初始桥式整流器级和大容量电容器会产生直流输入电压Vg。当使用220V交流输入时，此直流电压约为300V。

可以对反激式变压器的初级绕组和次级绕组之间的匝数比（N）进行配置，以提供低至3.3V的低输出电压所需的陡峭的电压降，并为初级和次级开关在开关周期中都保持可行的占空比和导通时间。

图2：从非隔离式降压-升压型到降压型反激式的演变（图片来源：富昌电子） 

在优化反激式转换器的效率时，设计人员需要考虑许多导致AC-DC功率级损耗的因素：

· 初级侧FET开关损耗和传导损耗
· 次级侧二极管损耗
· 与反激式变压器和初级侧电压缓冲网络中的漏感相关的损耗
· 反激式变压器中的铜损，包括与集肤效应相关的损耗和绕组接近损耗
· 磁芯损耗
· 与输入和输出电容器的等效串联电阻（ESR）相关的电阻损耗

通过采用良好的磁性设计原理，但将二极管保留在次级侧，可以在满载时实现约85％的效率。通过用低压次级侧硅MOSFET代替二极管，设计人员可以将效率提高几个百分点。

为了降低初级侧MOSFET的损耗，通常使用准谐振反激。准谐振反激式AC-DC转换器以不连续导通模式工作。在这里，流过次级侧的电流达到零，并且在初级侧导通之前，二极管（或MOSFET）处于截止状态。当初级侧电感器电流上升时，能量被存储在反激式变压器中。

在初级侧和次级侧开关均断开的工作期间，由于节点电容和初级电感的组合，初级MOSFET的漏极电压（Vd）中会出现张弛振荡。初级侧开关导通的时间可以与这些振荡的低压谷对齐。由于开关损耗与漏极电压的平方成正比，因此以这种准谐振方式进行开关可在初级侧开关处产生更低的损耗。此操作的漏极电压波形如图3所示。

使用准谐振开关、硅初级侧MOSFET和次级侧同步MOSFET的反激式转换器的效率为额定负载时效率的约91％。

图3：准谐振反激式转换器工作期间初级侧MOSFET的漏极电压波形（图片来源：富昌电子）GaN替代硅开关可提高效率  

用GaN HEMT替代准谐振拓扑结构中的硅MOSFET可以进一步降低初级侧损耗。由于GaN HEMT具有很高的电子迁移率和非常低的导通电阻，因此其尺寸可以比具有相同额定电压和电流的硅MOSFET小得多。这意味着其输出电容低得多，并且提供更快的开关沿，可实现更低的开关损耗。

使用GaN HEMT可以提高效率在Power Integrations的InnoSwitch™3产品系列的性能等级中得到了证明。2019年，Power Integrations将其内部开发的GaN技术（PowiGaN™）集成到其成功的InnoSwitch™3产品系列中。图4显示了通过使用PowiGaN技术实现的初级侧开关损耗的降低。由于使用PowiGaN进行导通和关断操作几乎是瞬时的，因此可以提高性能。此外，支持PowiGaN的器件的芯片尺寸比具有类似导通电阻额定值的同类硅开关要小得多。

InnoSwitch3是一个完整的准谐振反激级：它是低成本、高效率和紧凑型反激式功率级（例如USB Type-C充电器中的功率级）的理想解决方案。基于采用PonoGaN技术的InnoSwitch3的反激式转换器在功率高达100W时可提供约95％的效率。  

图4：硅MOSFET和Innoswitch3功率级中使用的PowiGaN开关的传导损耗和开关损耗的比较（图片来源：Power Integrations）  


图5：InnoSwitch3反激式转换器IC包含Power Integrations的PowiGaN技术（图片来源：Power Integrations）

支持PowiGaN的InnoSwitch3产品

高效率并不是选择采用PowiGaN技术的Innoswitch3的唯一原因。使用这些产品可轻松实现电源设计，因为它们提供了许多集成功能，包括：

· 高压初级侧开关
· 初级侧控制器
· 次级侧控制器，用于同步整流
· 创新的FluxLink™隔离技术，消除了对光耦合器的需求

在实际应用中使用采用PowiGaN技术的Innoswitch3

认识到在准谐振反激式转换器拓扑结构中使用GaN技术的优势，富昌电子开发了新型TobogGaN板，为考虑在工业辅助电源中使用采用PowiGaN技术的Innoswitch3产品的设计人员提供了有用的参考设计。

紧凑的TobogGaN设计可用于环境温度高达60°C、功率高达60W的工业环境。

在TobogGaN板上选择的Innoswitch3产品系列是Innoswitch3-Pro，它具有通过I2C接口进行数字编程的功能。该参考设计提供5V至20V之间的可编程输出电压，以及高达3A的输出电流。峰值效率为95％。

TobogGaN板的用户可以使用提供I2C转USB接口的插件板对其进行编程。另外，该参考设计通过附加的插件控制器板支持USB Type-C操作。

还可以通过更换反激式变压器和备用大容量电容器（该电容器与TobogGaN板一起提供、用于改装用途）来配置参考设计，以达到30W额定功率要求。