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

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

GaN 可實(shí)現高頻開(kāi)關(guān)，這樣可減小無(wú)源器件的尺寸，從而增加密度。與硅和碳化硅 (SiC) 之類(lèi)的技術(shù)相比，GaN 還可降低開(kāi)關(guān)、柵極驅動(dòng)和反向恢復損耗，從而提高電源設計效率。

您可以使用650V GaN FET進(jìn)行AC/DC至DC/DC轉換，或使用100V或200V GaN FET進(jìn)行DC/DC轉換以實(shí)現電源供應。

如果您從事尖端產(chǎn)品的研發(fā)，為了簡(jiǎn)化采購團隊的供應鏈，選擇采用業(yè)界通用封裝的器件也很重要。因此，對于 650V 應用，變壓器外形無(wú)引腳 (TOLL) 封裝在高功率電源設計中越來(lái)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(chǎng)效應晶體管 (FET) 之類(lèi)的集成器件在創(chuàng )建跨各種電源拓撲的高密度、可靠運行的設計時(shí)也可發(fā)揮重要作用。該器件具有集成柵極驅動(dòng)器以及過(guò)流保護、過(guò)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(shí)現這些特性所需的外部元件。該器件還支持高壓應用中的多種電源拓撲，包括圖騰柱功率因數校正 (PFC)、電感電容器、相移全橋和雙有源電橋。

集成柵極驅動(dòng)器可幫助您創(chuàng )建簡(jiǎn)潔的高密度布局，同時(shí)顯著(zhù)減少寄生耦合，如圖1所示。集成在高開(kāi)關(guān)頻率的電源轉換中變得尤為重要，因為柵極環(huán)路中的電路寄生耦合會(huì )導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(jiǎn)化布局。

(a)

(b)

圖1 電路寄生效應集成式GaN功率級與分立式 GaN

TI高壓TOLL器件的應用領(lǐng)域

讓我們回顧一下TI的TOLL器件的幾個(gè)主要應用領(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致的更低重疊開(kāi)關(guān)損耗。

用于數據中心和電信供電的PSU

隨著(zhù)對數據中心和超大規模計算的需求不斷增長(cháng)，打造高效且高功率密度的電源單元 (PSU) 的需要將呈指數級增長(cháng)。即使電信領(lǐng)域從 4G 發(fā)展到5G（以及現在的 6G），設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(guò)PFC和DC/DC級將交流電源轉換為直流總線(xiàn)，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(shí)現超過(guò)99%的效率，在DC/DC級實(shí)現超過(guò)98%的效率。

圖2 PSU方框圖

太陽(yáng)能微型逆變器

太陽(yáng)能作為一種電源正在呈現上升趨勢。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(yáng)能電池板電壓轉換為交流電。隨著(zhù)清潔能源要求的迅速提高，使用業(yè)界通用器件實(shí)現高效率、高功率和小尺寸非常重要。

TOLL GaN器件可通過(guò)業(yè)界通用的封裝尺寸和集成特性增加價(jià)值。這些器件可幫助您使用不同的漏源導通電阻調整到不同的功率級別以及不同拓撲，同時(shí)不需要費心考慮布局，因為大多數檢測和優(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(chǎng)具有相當大的增長(cháng)潛力，而且出于美學(xué)考慮，屏幕變得越來(lái)越輕、越來(lái)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(wú)源器件的尺寸不變，并通過(guò)簡(jiǎn)單的布線(xiàn)盡可能減少外部電路，從而獲得更薄的印刷電路板。該設計還將更加高效，同時(shí)仍采用業(yè)界通用封裝。

3W和4W車(chē)載充電器

在全球致力于努力減少尾氣排放的時(shí)代，汽車(chē)電氣化的新聞經(jīng)久不衰。輕松實(shí)現移動(dòng)充電要求電動(dòng)汽車(chē)上有車(chē)載充電器 (OBC)。由于 OBC 在電動(dòng)汽車(chē)中位于底盤(pán)，因此它應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(méi)有主動(dòng)冷卻功能來(lái)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(guò)集成以及更高的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)優(yōu)化設計尺寸，并降低損耗（柵極驅動(dòng)和開(kāi)關(guān)損耗）以實(shí)現更有效的熱耗散。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設計的彈性，同時(shí)保持業(yè)界通用的封裝尺寸。

圖4 車(chē)載充電器

結語(yǔ)

未來(lái)電源設計人員面臨的最大設計挑戰之一，是如何以盡可能低的損耗和高密度設計達到不斷提高的功率等級。通過(guò)將集成GaN與業(yè)界通用封裝相結合，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雜PCB布局的麻煩。這有助于降低設計的冗雜程度。此外，這還將強化其他終端設備領(lǐng)域的設計，例如，同樣重視簡(jiǎn)單、高密度設計的電機驅動(dòng)器、工業(yè)電源和電器電源。

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