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PI布局氮化镓市場穩站電源領域領軍地位

關鍵詞:  PI 

氮化镓(GaN)作爲半導體第三代材料,近年來高頻進入業界視野。各大IC廠商先後涉足氮化镓領域,源由氮化镓的寬禁帶、高擊穿電壓、大熱導率等特性,確立了其在制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件方面的領先地位,GaN器件正在向各應用領域滲透著。以電源管理爲例,隨著新應用對高壓和高性能的要求逐步提升,氮化镓(GaN)備受關注,其可提供超越于傳統矽MOSFET的技術優勢,實現更高效率、更低溫度和更小的尺寸,被業界一致認爲是功率變換領域的未來。

近日深耕于高压集成电路高能效功率转换领域的知名公司Power Integrations发布了其InnoSwitch™3系列恒压/恒流离线反激式开关电源IC的新成员--基于氮化镓的InnoSwitch3 AC-DC变换器IC,可满载情况下实现95%的高效率,并且在密闭适配器内不使用散热片的情况下可提供100 W的功率输出。

PI資深技術培訓經理閻金光先生在發布會上表示,基于GaN的InnoSwitch3系列器件可提供更大功率、更高的效率以及更具可靠性。適用于對尺寸和效率有較高要求的應用,如移動設備、機頂盒、顯示器、家電、網絡設備和遊戲機的USB-PD和大電流充電器/適配器等等。

PowiGaN集成到IC內部更具實用性

PI把这种基于GaN的开关技术称为PowiGaN,。随后阎先生告诉记者,其实设计一款可靠安全的GaN开关相对有一定的难度,但PI将PowiGaN集成到IC内部,大大的增加了IC的可靠性,为开关工作提供安全的保护。工程师可以看到明显的性能提升,但GaN开关与基于硅的MOSFET开关在电源工作方式上没有任何区别。简单的反激式电路拓扑结构、无论是采用硅晶体管还是采用PowiGaN开关的InnoSwitch3 IC均使用相同的开关电源设计流程、相同的开关频率、开关波形也极为相似、无异常的电路特性表现及增加特别的设计考量,只需根据输出功率的不同选取相应的外部电路元件。保证了新的产品与传统InnoSwitch3使用一致性、连贯性,可以说PI这家公司让GaN变的更具实用性。

PowiGaN可提供更高效率、更大的輸出功率

准諧振模式的InnoSwitch3系列IC在一個表面貼裝封裝內集成了初級電路、次級電路和反饋電路。新發布的基于GaN的InnoSwitch3産品中,將初級的常規高壓矽晶體管替換成氮化镓(GaN),可以降低電流流動期間的傳導損耗,並極大降低工作時的開關損耗。最終有助于大幅降低電源的能耗,從而提高效率,使體積更小的InSOP-24D封裝提供更大的輸出功率。

当然市场上有些声音表示,他们可以利用这个开关损耗的降低,将开关频率做的更高,甚至有些厂商做到了300K,以便将变压器、电源的体积变的更小,但随之而来的劣势就是EMI电磁干扰不容易通过,这样一来还需加许多额外的器件来满足电磁测试的标准要求,反而使得电源的体积变的更大,因此阎先生说GAN开关的优势利用要在一个合理的频率范围内,即频率不要高到影响了EMI,目前PI 的InnoSwitch 3沿用了原来基于硅开关的100KHZ的开关频率。

GAN开关增加了InnoSwitch 3的效率和输出功率01.jpg

上圖中,藍色條形是基于矽的MOSFET管,我們可以看到隨著功率的增大,導通電阻是逐漸降低的;右側紅色所示爲PowiGaN技術的開關導通電阻特性,由于其優異的開關特性因而可以保證在具有前級功率因數校正電路的情況下將功率做到120W,遠大于矽芯片的輸出功率。

同時GaN開關將功率提升後耐壓也隨之更高了,可以達到750V,意味著安全性更高。

GaN開關極大的降低了損耗

MOSFET的输出电容在其开通时通过本身进行放电,每一个开关周期,输出电容都会有充电、放电的过程,寄生电容的大小与MOSFET的大小成比例,而更大的MOSFET意味着更多的开关损耗。同时导通损耗会随着管子大小的增大而减小。那如何来避免呢?阎先生讲到,PI的GaN开关,输出电容非常小,几乎可以忽略不计 ,开关损耗非常低,因此总体损耗相对于MOSFET会更低。同时可以把效率提升更高,见下图GaN技术功率损耗(红色)与传统MOSFET的功率损耗(灰色)对比。

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PI已發布多款PowiGaN的參考設計

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基于PowiGaN的InnoSwitch 3设计可实现95%的满载效率,在适配器设计中可省去散热片,PI65W20V的DER-747适配器,满载效率在230VAC下为95%,在115VAC下为94%。PowiGaN的高效还可提高60W USB PD电源在各种负载下的性能。

總結起來,PowiGaN器件可提供更大的功率,其導通電阻更小,開關損耗更低;

与传统的InnoSwitch 3硅晶体管的工作方式无明显区别;生产工艺由PI开发和维护,与已经拥有的合作伙伴协同工作;具有业内先进的GaN认证过程。

PowiGaN技術擴展到LYTSwitch-6系列産品

除此之外,PI還將PowiGaN擴展到LED照明應用領域,同樣可實現更高的效率和功率。非常適合于有體積效率有要求的應用場合,如:高度具有要求的天花LED燈具驅動、高低艙頂燈燈具、LED路燈驅動、工業用12V或24V恒壓輸出等應用。

目前PI在其LYTSwitch-6系列的两个器件里采用了PowiGaN技术。回顾前一代基于硅晶体管的LYTSwitch-6系列产品,阎先生表示,该系列在高达65W的应用中已表现的非常出色,而采用PowiGaN开关后,可通过简单灵活的反激拓扑实现高达110 W输出功率和94%转换效率的设计。

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设计实例-使用HiperPFS-4 和内部集成PowiGaN开关的LYTSwitch-6实现的两级照明镇流器应用以上原理图所示, 我们可看到该设计有两级构成,前面一级使用的是来自PI的功率因数校正IC-HiperPFS-4,而升压二极管也是采用该公司的Qspeed系列二极管,HiperPFS-4除了功率因数校正之外,可以保证母线电压永远都保持400V,使后面DC/DC部分可以输出更高的功率。使用HiperPFS-4的升压PFC ,230V时的PF可以达0.99,THD小于10%,而反激式的DC/DC变换级则由初级侧使用PowiGaN开关的LYTSwitch-6来实现。大功率密度的LYTSwitch-6设计可减小LED驱动器的高度和重量,这对于空间受限且密闭的镇流器应用而言至关重要。

例2.jpg

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上圖是基于PowiGaN開關的參考設計板DER-801,100W輸出功率,滿載效率在277VAC下爲90.5%。

另外,深受工程師喜愛的PIExpert套件目前支持PowiGaN器件的設計,實時創建符合客戶規格參數的自定義方案,該軟件可從PI官網免費下載。

有关LYTSwitch-6 可参见http://news.eccn.com/news_2018020713425464.htm

GaN屬于新興産業,整個産業鏈還處于發展初期,顯然衆多IC廠商躍躍欲試,但PI這家公司基于原有的功率技術和産業功底,新産品已相對成熟,並得到客戶的認可,多家客戶已利用其技術投入衆多産品生産。InnoSwitch3已成爲離線開關電源IC市場當之無愧的技術先行者,隨著反激式産品在效率和功率能力的提高,新的氮化镓IC將進一步鞏固PI在市場上的優勢地位。

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