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從元件到系統,高壓電源轉換的三大創新解方,GaN技術成關鍵驅動力

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德州儀器新聞稿 發表於 2024年7月4日
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圖、從元件到系統,高壓電源轉換的三大創新解方,GaN技術成關鍵驅動力

面對全球能源轉型與電器化趨勢,電源管理領域正努力提升功率密度,高效能源傳輸變得更為重要。電阻損耗(I²R)限制了電源供應器的功率。為提升系統效率,需要增加傳輸電壓,減少所需電流,從而降低傳輸損失。目前應用的高壓系統範例包括家用AC配電系統、電信與伺服器電源系統、再生能源系統的DC微電網、能源儲存系統,以及電動車(EV)車載與車外充電器。例如,電動車電池從400V向800V發展,以實現更快速的電力傳輸至牽引變流器,提升加速性能。

雖然高壓運作提升了系統效率,但安全的人機介面、適當的電隔離和絕緣至關重要。此外,封閉迴路系統需要跨隔離邊界的訊號通訊。拓撲選擇、磁性電路設計、電磁干擾、運作模式、溫度管理以及佈線和控制的最佳化,都是高壓系統設計的重要挑戰。要在高壓系統中實現高效的電源轉換,需要深入了解高壓元件、電氣與磁性電路建模、絕緣要求、電磁相容性專業知識和電源轉換器控制技術。在此背景下,第三類寬能隙半導體氮化鎵(GaN)以其高轉換效率、高開關頻率、低反向復原時間和高溫耐受性,成為電源管理的關鍵技術。隨著GaN技術進步,GaN解決方案在廣泛應用中提升了性能、可靠性和競爭力,成為提升能源效率的重要驅動力。

在元件、拓撲和系統層面的創新是提升高壓電源轉換效率和密度的關鍵。這三大層面的創新對汽車和工業應用中的高壓電源轉換系統的效率和可靠性至關重要。


透過元件創新發揮最佳寬能隙FET性能,TI整合式且具成本效益解決方案克服設計挑戰
碳化矽(SiC)MOSFET 或氮化鎵(GaN)FET 等寬能隙 FET 是比矽 MOSFET 更高效的替代方案。寬能隙 FET 在相同電壓下具有極低甚至沒有反向復原電荷(Qrr),且導通電阻較低,如圖1所示。此外,寬能隙 FET 的閘極電荷(Qg)和輸出電容(Coss)等寄生參數遠低於矽MOSFET,因此切換速度更快,損耗更低。


圖 1、理論上的導通電阻與阻斷電壓

切換至寬能隙技術需要精心選擇元件,因其特性與矽晶設計完全不同。為減少切換損耗,寬能隙 FET 需要快速充放電的閘極驅動器。傳統矽 MOSFET 驅動器可能無法提供適當電壓調節,或無法處理高共模電壓瞬態。切換事件時,切換節點電壓變化會產生電流流經驅動器的寄生電容,若共模瞬態抗擾性(CMTI)不足,可能導致驅動器故障。如圖2與圖3所示。工程師可使用具米勒箝位技術和高 CMTI 額定值的驅動器,如 TI 的 UCC5880-Q1 強化型隔離驅動器,該驅動器具高達 20 A 的可變閘極驅動強度,提升功率密度,降低系統設計複雜度和成本,達成安全與性能目標。
 
圖2、切換事件造成共模電流
 
圖3、 閘極驅動器 CMTI 故障的範例

更快的切換速度意味著更低的損耗,但也可能引發電壓振鈴和共模雜訊問題。隨著 GaN 技術持續發展,TI 提供高度整合的 GaN 解決方案,協助工程師克服設計挑戰。TI透過將 GaN FET和閘極驅動器整合至相同封裝中,避免產生 PCB 電感。另外,也爲閘極驅動迴路建立源極接線(Kelvin Source)連接;因此 TI GaN FET 可在高瞬態電壓下切換,進而將切換損失降到最低。

此外,控制器對於高壓系統的即時運算和精確控制至關重要。TI的C2000™即時MCU透過高解析度PWM模組,以150-ps增量精準調整,優化性能。C2000™還提供可配置的邏輯區塊,允許在晶片內部實現自定義邏輯,取代外部的現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)或的可編程邏輯裝置(CPLD),大幅簡化系統的成本和開發時間,同時確保故障保護和系統的穩定運行。

與此同時,TI在GaN解決方案的優勢還包含成本競爭力,得利於其整合式設計,有助於系統性成本下降,此外,其強大的內部製造能力也帶來成本優勢。


透過拓撲創新獲得最大功率密度,以GaN元件釋放圖騰柱PFC應用潛力
除了元件級創新外,在高壓系統中,拓撲創新可以顯著簡化電源轉換過程。例如,傳統上工程師使用橋式整流器配合二極體和電容器將AC電壓轉換為DC電壓,如圖4所示。

 

圖4
全橋整流器
 
然而,這種傳統設計的功率因數通常低於0.5,這意味著會有大量的未使用功率(無功功率)產生。為了解決這個問題,工程師引入了有功功率因數校正(PFC)電路。這種設計使用通用AC電壓,然後將其升壓到穩定的400V電壓,通過感測輸入電壓來控制電感電流,確保功率因數接近1(約為0.99)。

然而,在千瓦級別的高壓系統中,PFC整流器的全橋式二極體整流器會造成超過1%的整體效率損失。例如,對於一個2kW的整流器來說,全橋式二極體整流器的損耗預計超過20W。為了降低這種損耗,無橋式圖騰柱PFC成為更好的替代方案,如圖5所示。這種設計將整流器功能與升壓轉換器整合在一起,只需兩個額外的MOSFET(而非四個二極體),因此總整流器損耗(附帶兩個低頻FET)大幅降低。

 

圖5
無橋式圖騰柱PFC

在無橋式圖騰柱PFC中使用矽晶MOSFET可能會面臨高切換損失的Qrr問題。因此,在大多數情況下,利用寬能隙FET實現無橋式圖騰柱PFC拓撲是解決Qrr損耗的有效方法。相比具有相同導通電阻的超接面MOSFET,SiC MOSFET的Qrr小了20倍,而GaN FET的Qrr則低至零。因此,結合元件級創新和拓撲創新(例如GaN FET與圖騰柱PFC),能夠實現極高的效率水平,顯著提升高壓系統的功率密度,同時減輕系統的整體重量。

現今,GaN在電源管理領域已取得關鍵地位,廣泛應用於消費電子、工業、車用和伺服器電源等領域。TI預期未來所有使用PFC架構的功率模組產品皆有機會引入GaN技術與元件,藉TI GaN元件高整合性與強大內部製造能力所帶來的成本優勢,克服電源管理挑戰,達成全球減碳與能源轉型目標。

以企業資料中心的電源供應單位(PSU)為例,單一資料中心的電力需求大約為50 MW,而全球大約有8,000個同規模的資料中心,一般來說,每個PSU需要提供數千瓦的電力,以確保資料中心的持續供電。透過採用GaN元件的圖騰柱PFC,可將PSU的電源轉換效率提升到98%以上,有效協助資料中心減少大量的能源消耗並降低營運成本。


 以系統級創新實現超高效率目標,TI整合式解決方案結合元件、拓撲與控制系統創新 
在系統架構創新方面,控制系統的創新是提升高壓電源轉換系統效能的關鍵途徑之一,選擇適當的PFC控制模式對系統效能至關重要。如傳導導電模式(CCM)和臨界導通模式(CRM),各自具有獨特的優勢,能夠有效提升系統效率並管理EMI雜訊水平。多模式操作的引入,將CCM和CRM結合,不僅平衡了效率和EMI濾波器設計的要求,還推動了系統向更高效能和可靠性的發展。圖6說明這三種模式下的波紋電流封包。

 

圖6
CCM、CRM 和多模運作下的 PFC 電感器電流 (從左至右)
 
此外,新一代高效率高壓電源轉換系統需應對EMI濾波器設計挑戰。通過將PFC電感器分離為高電感和低電感元件,可以有效降低系統EMI雜訊,使濾波器設計更簡單且具成本效益,如圖7所示。


圖7
已修改的無橋式圖騰柱 PFC 電路

修改後的軟切換CRM PFC雖能克服EMI濾波器設計挑戰,但需要額外感測和控制來確保軟切換。整合軟切換感測電路與FET可簡化系統,如LMG3526R030將GaN FET、驅動器、保護和電壓感測整合至一個封裝中。此裝置在GaN FET通道傳導前發出零電壓偵測脈衝來指示軟切換。使用LMG3526R030的零電壓偵測功能,變頻、ZVS、5-kW、基於GaN的雙相圖騰柱PFC參考設計,通過結合元件、拓撲和控制系統創新,展示了超過99.1%的峰值效率。
 
結論
現今,設計高壓電源轉換系統比十年前更加簡單,但新技術帶來了新挑戰。單點突破無法革命性改變高壓系統,因每個設計項目必須互相進化,以提升高壓系統的效率、功率密度和性能。TI的高壓電源轉換技術涵蓋GaN IC、隔離式閘極驅動器、隔離式DC/DC轉換器及模組、C2000即時微控制器,利用元件、拓撲和系統等三大層面的創新,簡化高效能、高功率密度、高壓電源轉換系統的設計。通過這些創新,汽車和工業應用中的高壓電源轉換系統將實現更高效率和更優性能,滿足增長的能源需求,並為未來電力電子設計設定新標準。(2967字; 圖8)

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