使用整合式 eGaN 功率級打造高能源密度電源供應器

高能源密度切換式電源供應器 (SMPS) 不僅能加快電池充電速度、縮小太陽能微型逆變器的尺寸，還能滿足伺服器群的功率需求，而這一切都不會產生多餘的熱能。然而，工程師如今已經達到矽晶片 MOSFET 與 IGBT 的效能極限，這些電晶體是傳統 SMPS 的主要切換元件。但現在，經由增強式氮化鎵 (eGaN，一種寬能隙半導體) 打造而成的電晶體，可用來克服矽晶片元件的切換速度與效率極限。

過去由於成本和供應性的關係，eGaN 電晶體僅限用於最艱深的電源供應器應用，但隨著商業化進展，這些挑戰已迎刃而解。如今，eGaN 電晶體可用於更廣泛的應用。

本文將會比較以 eGaN 切換元件為基礎的高頻率電源供應器，與以傳統矽晶片 (Si) MOSFET 或 IGBT 為基礎的高頻率電源供應器，並說明前者所具備的優點。接著會提供準則，說明如何使用來自 EPC、Texas Instruments 及 Navitas Semiconductor 的 eGaN 功率級，打造出適合電池充電或伺服器群等應用的 SMPS 設計。

高頻率的好處

傳統的 SMPS 通常採用幾十至幾百 kHz 之間的切換頻率。基頻的脈寬調變 (PWM) 工作週期決定電源供應器的電壓輸出。

較高切換頻率的主要優點在於，能減少電感、變壓器與電阻等周邊元件的尺寸。這不僅能讓設計人員縮減設計來實現相同的輸出功率，同時提高能源密度。此外，還能減少 SMPS 輸出端的電流與電壓漣波，從而降低電磁干擾 (EMI) 的風險以及濾波器電路的成本與尺寸。

然而，傳統矽晶片功率 MOSFET 與 IGBT 的切換速度相對較慢，而且每次元件接通和斷開時，都會消耗大量的功率。這些損耗會隨著頻率提高而成倍增加，進而導致效率降低、晶片溫度上升。較慢的切換速度與較高的切換損耗，給當今 SMPS 的實際切換頻率設定了上限。

寬能隙半導體能幫助設計人員突破此限制。GaN 是目前該應用最成熟且最容易取得的技術，而 eGaN 是 GaN 的改良版本。

矽晶片與 GaN 的比較

GaN 比矽晶片多了一些優點，而有些優點與 GaN 具有更高的電子遷移率有關。更高的電子遷移率，讓半導體具有更高的崩潰電壓 (超過 600 V)，以及優異的「電流密度」(A/cm²)。GaN 的另一個優點是，以 GaN 打造的電晶體不會出現逆向復原電荷，而這種現象可導致高切換電流過衝 (振鈴)。

雖然這些特性對電源供應器的設計人員來說都很重要，但或許更關鍵的是，高電子遷移率讓 GaN 電晶體只要花費矽晶片 MOSFET 大約四分之一的時間，就能完成切換。此外，每當 GaN 元件進行切換時，在給定的切換頻率和電流下，損耗量是矽晶片電晶體的 10% 到 30% 左右。因此，比起矽晶片 MOSFET、IGBT 或碳化矽 (SiC) 元件，GaN 高電子遷移率電晶體 (HEMT) 能以高出許多的頻率進行驅動 (圖 1)。

圖 1：比起矽晶片或 SiC 元件，GaN HEMT 能夠實現頻率更高的切換式電源供應器。(圖片來源：Infineon)

GaN HEMT 普及速度較慢，主要有兩個原因。第一，這種元件其實是空乏式場效電晶體 (FET)，因此預設模式為「開」。相較之下，矽晶片 MOSFET 則是增強式元件，預設模式為「關」。因此，GaN HEMT 還需要使用經過仔細調諧的偏壓網路，才能正常地運作。第二，與矽晶片成熟的量產生產技術相比，電晶體使用不同的製造技術，因此更為昂貴。設計的複雜度，再加上高昂的成本，使得 GaN HEMT 的應用只限於高端 SMPS。

不過，eGaN HEMT 最近已經商業化，並漸漸摒棄偏壓網路。而且，晶片廠商推出了以 eGaN HEMT 為基礎的整合式功率 IC 驅動器，可以簡化設計。另外，產量的提升也降低了 eGaN 元件的成本。

整合式 GaN 解決方案

在先前使用 eGaN HEMT 的高端 SMPS 設計中，由於價格過高的關係，設計人員只能使用該元件作為功率電晶體，然後又使用矽晶片 MOSFET 作為閘極驅動器。雖然相較於「全矽晶片」設計，效能已經有所提升，但這種組合式設計中的矽晶片元件卻拉低了最大切換頻率。而且，由於 GaN 和矽晶片使用不同的製程技術，閘極驅動器和功率電晶體必須作為單獨的組件來製造，增加了成本費用與 PC 板的覆蓋區。

eGaN 價格的降低，能讓晶片製造商解決這兩個問題。舉例來說，Texas Instruments 提供 LMG3411R070 70 mΩ、600 V eGaN 功率級，具有整合式閘極驅動器 (圖 2)。

圖 2：Texas Instruments 的 LMG3411R070 將 70 mΩ、600 V eGaN 功率級與驅動器整合在一起。(圖片來源：Texas Instruments)

此晶片可切換 100 V/ns 且振鈴幾乎為零 (圖 3)。相較之下，傳統矽晶片功率 MOSFET 的典型迴轉率為 3 至 10 V/ns。

圖 3：如 TI 的 LMG3411R070 整合式 eGaN 功率級所示，eGaN 功率電晶體可管理比 MOSFET 高出許多的迴轉率，且振鈴現象微乎其微。(圖片來源：Texas Instruments)

Navitas Semiconductor 製造有類似等級的產品，型號為 NV6113。此產品將 300 mΩ、650 V eGaN HEMT、閘極驅動器以及相關邏輯，整合在一個 5 x 6 mm 的 QFN 封裝中。NV6113 可承受 200 V/ns 的迴轉率，工作頻率高達 2 MHz。

雖然可以並聯佈署 TI 和 Navitas 的 GaN 功率級等元件，將其用於目前很熱門的半橋拓撲中 (圖 4)，但現在也有一些其他產品，可將兩個功率電晶體 (及相關聯的閘極驅動器) 整合在同一個晶片上。

圖 4：如圖所示，可以並聯佈署 Navitas 的 NV6113，將其用於半橋拓撲。(圖片來源：Navitas Semiconductor)

例如，EPC 近期推出的整合式驅動器 IC EPC2115，便包含兩個單晶片 88 mΩ、150 V eGaN 功率電晶體，且每個電晶體都有一個經過最佳化的閘極驅動器 (圖 5)。EPC2115 採用低電感值的 2.9 x 1.1 mm BGA 封裝，執行頻率可高達 7 MHz。

圖 5：EPC 的 eGaN 整合式驅動器 IC 包含兩個功率電晶體，且每個都有一個經過最佳化的閘極驅動器。(圖片來源：EPC)

使用 eGaN HEMT 設計電源供應器，與使用矽晶片 MOSFET 來設計，原則通常都是一樣的，但較高的工作頻率會對周邊元件的選擇造成影響。

選擇周邊元件

為了說明頻率對元件選擇的影響，請設想以輸入電容實現簡單的 DC 至 DC SMPS 降壓拓撲。

輸入電容會降低輸入漣波電壓的振幅，讓漣波電流低到能由價格相對低廉的大容量電容處理，而且不會額外耗費功率。依據經驗法，將峰對峰電壓漣波振幅降低到 75 mV 以下，即可將大容量電容的電流保持在可接受的限度內。輸入電容通常為陶瓷元件，因為這種元件的等效串聯電阻 (ESR) 非常低，可有效減少電壓漣波。

要將峰對峰電壓漣波振幅降低到給定振幅，可使用方程式 1 來確定所需的陶瓷輸入電容值：

其中：

• C_MIN 是指所需的最小陶瓷輸入電容值，單位為 μF
• f_SW 是指切換頻率，單位為 kHz
• V_P(max) 是指允許的最大峰對峰漣波電壓
• I_OUT 是指穩態輸出負載電流
• dc 是指工作週期 (如上式所定義)
• (摘自參考資料 1)

針對高端矽晶片型功率級，使用一些典型運算值進行計算並得出：

• V_IN = 12 V
• V_OUT = 3.3 V
• I_OUT = 10 A
• η = 93%
• f_SW = 300 kHz
• dc = 0.296
• V_P(max) = 75 mV

計算得出 C_MIN = 92 µF

針對 eGaN 功率級 (例如工作頻率為 2 MHz 的 Navitas 元件)，在效率略微提升且其他工作條件類似的情況下重複執行計算並得出：

• V_IN = 12 V
• V_OUT = 3.3 V
• I_OUT = 10 A
• η = 95%
• f_SW = 2000 kHz
• dc = 0.289
• V_P(max) = 75 mV

計算得出 C_MIN = 13 µF

C_MIN 的值變小，能讓您使用更小的元件。

雖然快速切換 eGaN HEMT 通常都能帶來好處，但也會產生一些獨特的設計難題。其中，主要的問題都是與極高的迴轉率有關。

控制迴轉率

快速迴轉率 (dV/dt) 可能會引起以下問題：

• 增加切換損耗
• 輻射並傳導 EMI
• 電路中發生由切換節點耦合而來的干擾
• 由於功率迴路電感和其他寄生效應，導致切換節點發生電壓過衝與振鈴現象。

這些問題在啟動或硬切換狀況下最為明顯。

使用 Navitas 產品時，簡單的解決辦法就是，透過在 C_VDD 電容和 V_DD 引腳之間增加電阻，來控制導通時的迴轉率 (再次參見圖 4)。這個電阻 (R_DD) 會設定整合式閘極驅動器的導通電流，並確定功率 FET 汲極的導通 (下降) 緣迴轉率 (圖 6)。

圖 6：R_DD 電阻會設定 NV6113 的導通電流，並確定功率 FET 汲極的導通 (下降) 緣迴轉率。(圖片來源：Navitas Semiconductor)

此外，LMG3411 也支援調整迴轉率，只要將電阻 (R_DRV) 連接到功率電晶體源極即可進行調整 (再次參見圖 2)。選擇電阻後，汲極電壓的迴轉率會設定在大約 25 至 100 V/ns 之間。

選擇迴轉率需要做出權衡。雖然速度較快時，功率損耗降低，因為此時開關同步且低效地傳導高電流的持續時間縮短，但其他的效能特性也會下降。經驗法則是讓 EMI、過衝和振鈴保持在規範要求內，同時達到最快的速率。

第二個設計難題是高頻率操作存在過電流的風險。

過電流保護的重要性

設計較高切換頻率的 SMPS 時，其主要優點是能縮小被動元件的尺寸，進而增加整體功率密度。但缺點是當功率密度增加時，一旦發生過電流事件，元件受損的機率便會升高。過電流是 SMPS 一直存在的風險。除了其他問題外，過電流尖波還可能因為來源電路板走線的外部寄生電感，而造成錯誤觸發。

雖然快速過電流保護 (OCP) 對於使用傳統 MOSFET 的 SMPS 很重要，但這項保護對 eGaN HEMT 來說更為重要。其原因在於：

• 若具有相同的阻斷電壓和導通電阻，eGaN HEMT 的面積會小許多，而要驅散在發生過電流期間所累積的熱能，難度會高出許多
• 當 eGaN HEMT 在線性區域運作時，必須得偵測到過電流，否則元件會迅速進入飽和狀態，導致耗費過多的功率並造成損害

提供 OCP 保護的傳統方法，是使用電流感測變壓器、分流電阻，或去飽和偵測電路 (見表格)。可惜的是，這些方法都會對系統效能造成不當的影響，在功率迴路中增加寄生電感和電阻，導致必須降低迴轉率，並因此耗費更多功率。而且，感測變壓器或分流電阻等離散元件，會增加成本並佔用板件的空間。

提供 OCP 保護的另一種方法，是使用三種元件來感測 GaN FET 的汲極電壓 (V_DS)，包括電流感測元件、位準移位器 (用於將訊號通報給控制器) 以及偵測電路。這種方法不會產生影響電路效能的寄生電感和電阻，但是缺乏準確度，主要是因為 GaN 的溫度係數很高。

第三種方法是，選擇具有整合式 OCP 功能的整合式 eGaN 功率級，這能避開前兩種方法的缺點。TI 推出的 LMG3411 便具有此功能。當偵測到過電流時，LMG3411 的保護電路能在 100 ns 內關閉 eGaN HEMT。當 PWM 輸入在下個循環變回低位準時，輸出故障訊號便會解除。這能讓 eGaN HEMT 在下個循環時為常開，將輸出端的干擾降到最小。

表格：GaN HEMT 功率級的 OCP 選項摘要。選擇具有整合式 OCP 功能的功率級，對剛接觸此技術的設計人員來說，是最簡單的解決方法。(圖片來源：Texas Instruments)

結論

太陽能逆變器和伺服器群等應用，對高能源密度 SMPS 的需求越來越高，加上元件單位成本愈來愈低，使得現在越來越多的電源供應器設計都很適合選用 eGaN HEMT。雖然利用 eGaN HEMT 進行設計可能極具挑戰性，但若使用結合閘極驅動器和功率電晶體的 eGaN HEMT 功率級，SMPS 設計人員能更輕鬆地將該技術納入下一個高功率密度設計中。

參考資料

1. “Input and Output Capacitor Selection,” Jason Arrigo, Texas Instruments, application report SLTA055, February 2006.