氮化鎵積體電路提升電源供應器效率

現今的電子領域中，從醫療裝置、手機、筆記型電腦充電器，以致於輔助電源供應器，幾乎都需要電源轉換器。封裝尺寸的縮減、熱管理、可變輸入電壓、智慧充電協定都造成電源供應器和轉換器的設計更複雜，以及對效率更加重視。

過去十年，使用氮化鎵 (GaN) 晶片的積體電路 (IC) 開發出新的切換技術。氮化鎵電路在原子層級上呈現不同特性，為電源轉換器的設計人員同時帶來挑戰和解決方案。

氮化鎵半導體具有寬帶隙；其帶隙為 3.4 eV，是矽半導體的三倍多。如同其他寬頻隙材料，氮化鎵半導體能夠在更高電壓、高達 +400°C 的溫度下工作，因此可用於更高功率的應用，並且能夠在更高的頻率下工作，適合 RF 和 5G 應用。

在電源轉換器應用中，氮化鎵積體電路能在比矽 IC 更小的實體尺寸下，最佳化與電晶體相關的損耗，例如串聯阻抗 (R_DS(ON)) 和並聯電容 (C_OSS)。在與矽積體電路相同的覆蓋區下，氮化鎵積體電路可以處理更高的頻率，且產生更少的熱。此特性可以讓設計人員縮小或無須使用笨重的散熱片。

然而，氮化鎵電晶體可能較難以控制。由於可耐受高頻，因此控制驅動器必須實際接近電晶體，以消除延遲並且有效率降低電晶體的切換速度，避免不必要的電磁干擾 (EMI)。設計人員採用氮化鎵電源轉換器，使用單一裝置克服這些挑戰。此元件將一次側 (輸入) 的高壓電源切換器和二次側 (輸出) 的控制 IC，以及回授電路結合。

切換細節

Power Integrations 運用其 InnoSwitch3 with PowiGaN™ 技術，為此類封裝打造多個系列。例如，InnoSwitch3-CP 系列切換器 IC (圖 1) 採用準諧振 (QR) 返馳式控制器，為恆定電壓 (CV)／恆定電流 (CC) 輸出提供恆定功率 (CP) 特性。

此 IC 的一次側和二次側為電氣隔離，輸出電壓和電流資訊透過電感耦合，從二次側控制器傳至一次側控制器。FluxLink 通訊技術能夠快速提供準確的資訊，達到快速負載暫態響應和高達 70 kHz 的切換頻率。

圖 1：InnoSwitch3-CP 系列切換器積體電路的一次側控制器和二次側控制器具有電氣隔離，但透過磁鏈路 (虛線) 共享回授。(圖片來源：Power Innovations)

InnoSwitch3-CP 系列 IC 無需散熱片即可處理 50 W 至 100 W 的功率，能縮減電源供應器的整體體積。這些組件的額定連續工作電壓為 650 V，但能夠耐受高達 750 V 的突波。工業型號則可耐受 900 V 或 1,700 V 的電壓。

採用 InnoSwitch3-CP 系列 IC 的電源供應器，在允許的負載範圍內效率高達 94%，而矽基切換器的效率約為 90%。InnoSwitch3-CP 系列產品具有高效率且極低的功耗 (低於 30 mW)，有助於滿足全球能源效率法規的要求。

為確保元件達到安全性和壽命，InnoSwitch3-CP 系列 IC 的一次側和二次側之間依循 Underwriters Laboratories (UL) 1577 標準進行 4,000 V_AC 強制電氣隔離，且每個單元都通過 HIPOT 測試。其他安全特點包括偵測和響應同步整流場效電晶體 (SR FET) 的開閘極、輸入線路欠壓或過壓，以及輸出過壓。此 IC 控制器還可以限制過電流，並且在過熱前關斷。

InnoSwitch3-EP 系列 IC (圖 2)與 InnoSwitch3-CP 系列 IC 相似。但並非針對單一恆定功率輸出進行最佳化，而是採用加權二次側調節 (SSR)，將多重輸出電壓平均成控制訊號。

圖 2：InnoSwitch3-EP 系列切換器積體電路的輸出功率範圍取決於輸入電壓。其線路圖與 InnoSwitch3-CP 積體電路類似，但其二次側可選配電流感測電阻。(圖片來源：Power Innovations)

InnoSwitch3-EP 系列積體電路輸出也與電壓相依。750 V 時，InnoSwitch3-EP IC 可輸出 50 W 至 100 W；1,250 V 時，其輸出可達 85 W。此積體電路專為高壓切換作業所設計，其崩潰電壓為 1,700 V。

在二次側，InnoSwitch3-EP 系列可選用電流感測電阻。啟用此感測功能後，可以配置為在負載電流持續預定時間高於設定閾值時自動重新啟動。

InnoSwitch3-CP IC 經常被選用於消費性電源轉換器，例如採用 USB power delivery (PD) (PD) 協定、QuickCharge (QC) 協定或其他獨家協定的轉換器。InnoSwitch3-EP IC 具有更高的電壓能力和靈活性，是工業環境電源供應器、公用事業儀表、智慧電網的理想選擇。此外，也用於電器的輔助、待機、偏壓電源供應器。

可編程電源

InnoSwitch3-Pro IC (圖 3) 採用積體電路間 (I²C) 數位介面，可對輸入、輸出、故障進行更動態的管理。使用者還可以將滿載切換頻率自訂為 25 kHz 到 95 kHz 之間。選擇較低的值可以將大型變壓器中的熱積聚降至最低，而較高的頻率則可以減少小型變壓器中的熱積聚。

圖 3：InnoSwitch3-Pro 系列切換器 IC 可透過 I²C 介面進行數位控制，進行遠端狀態監控、電壓和電流調節，以及自訂切換頻率。(圖片來源：Power Innovations)

在迴路中加入微控制器，可以為 InnoSwitch3-Pro 系列 IC 提供額外保護。使用者可以獨立配置輸出過壓和欠壓故障所需的響應。此外，還可以監測輸入電壓，並確保提供過壓保護／欠壓保護以及過電壓防護。此微控制器還能偵測 SR FET 閘極開路，並管理遲滯熱關斷，為 IC 提供更高保護。

InnoSwitch3-Pro IC 有高可配置性、低散熱、高效率，因此成為符合 USB PD 3.0、QC、Adaptive Fast Charge (AFC)、Fast Charge Protocol (FCP)、Super Charge Protocol (SCP) 等協定的充電配接器之理想選擇。設計人員也選用於電池充電器和可調式 LED 安定器，可符合這些應用所需的結構緊湊、最小熱積聚的設計。

小型電容

InnoSwitch3 系列切換積體電路只是電源轉換器和電源供應器架構的一小部分。例如，大容量電容 (一種儲能元件，用於平滑進入電源供應器的交流電波動) 可能佔用電源供應器中 25% 的空間。

Power Integrations 開發出 MinE-CAP IC 切換器和控制器，採用 PowiGaN IC 切換技術。此元件搭配兩個較小的電容使用，為特定的電源電壓提供合適的電容量 (圖 4)。一個能夠耐受高達 400 V 電壓，額定容量為 1 µF 至 5 µF 的陶瓷或電解電容持續工作。在 MinE-CAP 偵測到較低電壓時，會啟動額定電壓為 160 V 但電容量較高的附加電解電容。

除了將大容量電容分成兩個較小的單元，以減少高達 40% 的空間需求，MinE-CAP 還消除對湧入負溫度係數 (NTC) 熱敏電阻的需求。由 MinE-CAP 控制的電容則設計成能夠耐受電源供應器啟動時的湧入電流。

圖 4：MinE-CAP 是基於氮化鎵的積體電路控制器，可將電源供應器中的大容量電容分為兩個較小的單元，縮減高達 40% 的體積。MinE-CAP 專為與 InnoSwitch3 DC/DC 轉換產品搭配使用所設計。(圖片來源：Power Innovations)

結論

採用氮化鎵半導體的切換積體電路結合電晶體、控制積體電路、回授電路，充分運用此材料耐受高溫、高壓、高頻的特性。這些積體電路可以促成更小的印刷電路板、無需散熱片，並且可對電容進行巧妙放置，讓多功能電源供應器能夠納入更緊湊的封裝中。Power Integration 的 InnoSwitch3 等氮化鎵產品提供 PowiGaN 產品線，可能會持續吸引追求更高功率密度和進一步小型化的設計人員。