如何在48V系統中輕鬆應用GaN FET?

作者 : Zhihong Yu,瑞薩電子美國(Renesas Electronics America)工業與通訊事業部產品行銷與應用工程資深經理

本文介紹一種相容GaN FET的類比控制器,它只需很少的元件,就可以讓設計人員像使用矽FET一樣簡單地設計同步降壓變換器,同時提供卓越的性能。

氮化鎵(GaN) FET可以應用在48V電源系統中,但由於缺乏配合GaN FET工作的合適控制器,工程師們常利用DSP數位解決方案來實現其高頻和高效率設計。然而,DSP解決方案因為需要額外的IC而增加了複雜性和難度。本文介紹一種相容GaN FET的類比控制器,它只需很少的元件,就可以讓設計人員像使用矽FET一樣簡單地設計同步降壓變換器,同時提供卓越的性能。

在電力電子領域,GaN FET擁有比傳統矽FET更加卓越的性能。GaN FET因效率高而產生更少的熱量,系統成本也隨之大大降低。然而,商用電源製造商在應用GaN FET進行大規模生產時仍面臨一些挑戰,以下為客戶回饋的一些資訊:

1.GaN FET設計與矽FET設計完全不同。(電源製造商)

2.使用GaN需要數位控制,這讓我們望而卻步;因為設計類比電路比較容易,成本也低,那才是我們擅長的事情。(電信公司)

3.GaN FET的到來意義重大。能夠縮小散熱器尺寸對我們來說非常重要,但問題是我們還需要一個微控制器來配合它。(家電廠商)

許多設計工程師已經意識到採用GaN FET會帶來的益處,但卻一直猶豫是否將GaN導入實際設計,其主要原因還是設計的複雜性。隨著GaN FET成本的不斷降低,其相對矽FET的高昂成本可以透過系統級設計來抵消,假如客戶真的面臨這些難題,那該如何幫助他們?

瑞薩電子利用在48V系統中使用100V GaN FET來解決這個問題。本文將闡述這種方法,並以一種截然不同的方式來解除客戶的疑慮。

自從電話被發明以來,電信和無線基礎設施應用一直採用48V直流電源供電。近年來,資料中心和高階汽車系統也開始採用48V電源,因為它仍然被認為是安全的低電壓,其安全要求要低得多,但允許使用具有最小壓降的更細規格電線。現在已經有很多發佈的文章都在探討快速興起的48V市場。

5G主動天線單元(AAU)的典型電源樹如圖1所示。系統的-48V輸入匯流排透過DC/DC轉換提供數百瓦(W)或千瓦級的功率,將-48V電壓轉換為+28V、或+48V至+56V,並饋入大型功率放大器陣列。轉換後的正電壓還可以創建12V或5V匯流排饋送給其他系統負載,例如時序/時脈、記憶體、ASIC/FPGA等(如果-48V已經與交流電或可再生能源等主電源隔離,則無需再隔離)。顯然,隨著5G市場的快速增長,AAU和基頻單元(BBU,圖中未顯示)都需要多個不同功率等級的48V轉換,這其中蘊含的市場潛力巨大,投入資源開發80V或100V額定電壓的GaN FET來取代傳統矽FET符合GaN製造商的商業利益。

在無線基礎設施應用中採用GaN有很多潛在的益處,包括提高系統效率、最小化設備尺寸、降低電力成本和簡化散熱管理等。尤其對5G AAU,它甚至可以減輕系統重量,考慮到基地台安裝越來越分散,而且有些場景安裝還比較困難,這一點尤其重要。

 

圖1:典型的5G AAU電源樹(未顯示交流電源)。

 

電源架構的細節取決於網站類型、覆蓋範圍、位置,以及與電網或遠端電源的距離。宜普(EPC)是業界著名的GaN FET公司之一,曾經發佈過48V匯流排電源轉換參考設計(EPC9143),其中就採用了GaN FET方法(圖2),其整個設計都是開放的。

該參考設計基於產業標準的1/16磚尺寸轉換器,支援18V~60V輸入,並基於兩相交錯配置提供額定電流為25A的12V輸出。除了EPC GaN FET之外,該設計還使用了一個16位元數位控制器,其工作頻率為500kHz,可提供大於95%的峰值效率(該控制器具有DSP核心和額外的類比部分,為簡單起見,在文中稱其為DSP)。

 

圖2:內建DSP控制器的EPC9143參考設計(頂部和底部)。

 

毫無疑問,該設計提供了相當不錯的性能,但我們注意到它還使用了六顆其他IC,如圖2的參考設計所示。

透過多種數位電源控制器,使用者可以靈活地重新程式設計輸出電壓和保護閾值,還可以添加其他需要的功能。然而,對於某些48V應用,一旦設計確定,就無需重新配置;因此其控制調變器如果以類比方式設計,將與數位方式同樣有效。我們開始考慮是否可以將EPC9143中所需的7顆IC進行組合並替換,僅用一個類比IC就達到類似的性能。雖然DSP解決方案幾乎實現了GaN FET設計的最大潛力,其效率遠高於矽FET,但透過更簡單的BOM實現相同的目標,將為客戶提供更高的功率密度和更低的解決方案成本,這與效率同樣重要。

在精簡產品定義、IC設計和全面驗證工作之後,瑞薩電子開發一款80V雙同步降壓控制器,專門最佳化以驅動增強模式GaN FET,即ISL81806 (圖3)。

 

圖3:80V雙輸出/兩相GaN FET控制器。

 

ISL81806採用兩相交錯拓撲結構,最多可並聯成六個交錯相位,可以承受千瓦級的負載,而無需外部數位控制來分配相位。其他特性還包括:

  • 寬輸入電壓範圍:4.5V~80V,適合電信設備應用;
  • 寬輸出電壓範圍:0.8V~76V;
  • 支援恆壓或恆流輸出;
  • 寬開關頻率範圍:100kHz~2MHz;
  • 輕載或強制PWM模式下的二極體類比和高載模式;
  • 直通保護、OCP、OVP、OTP、UVP;
  • 每個輸出的獨立使能(EN)和軟啟動;
  • 針對增強型GaN FET進行最佳化的閘極驅動和死區時間。

EPC和瑞薩電子開發了一個新型參考設計板EPC9157 (圖4)。與圖2中的DSP解決方案相同,它採用了兩相交錯拓撲和1/16磚尺寸模組外形設計。該參考設計板的額定輸入電壓、輸出電流和500kHz頻率也與DSP解決方案相同(截至本文發佈時,該板的額定輸入電壓為80V)。

 

圖4:使用ISL81806和四個GaN FET的EPC9157參考設計板(僅提供類比控制)。

 

DSP EVB和類比EVB的效率比較如圖5所示,其效率在峰值功率下非常接近。類比EVB具有更好的輕載效率,部分原因是單個類比控制器消耗的工作電流(50μA)比DSP解決方案所需的七個組合IC要少,而且它可以直接使用12V輸出作為IC電源的外部偏置。

 

圖5:效率比較(左:使用DSP的EPC9143;右:使用ISL81806的EPC9157)。

 

圖6顯示了數位和類比解決方案之間的主要BOM差異(其中省略了被動元件)。很明顯,類比解決方案電路BOM非常簡單,它只需一個IC,不需要任何程式設計。

 

圖6:BOM比較。

 

儘管ISL81806已經提供了卓越的效率、解決方案尺寸和BOM成本,但未來仍有很多改進的空間。正如GaN FET技術在過去幾年中迅速發展一樣,瑞薩電子正致力於定義和設計匹配的控制器,其設計團隊也面臨著新的挑戰和機會。

未來的發展方向可能包括(但不限於):

  • 提高擊穿電壓

100V擊穿電壓可能更適合遠端AAU,以及板裝磚式電源模組,尤其適用於具有長電纜的電信設備,可以使其更加堅固。

  • 更強大的分離式閘極驅動

實現更高的效率需要更強大的閘極驅動器,但這會導致更快的dV/dt,有可能損壞IC,因為任何非理想佈局帶來的大量雜散電感會產生負電壓。要解決這個問題,可能需要單獨導通/關斷以最佳化開關速度,如參考文獻中的RAA226110等離散式GaN驅動器IC。

  • 更小封裝以最佳化佈局

GaN供應商通常建議採用小尺寸封裝,如CSP或BGA,這類封裝沒有擴展引腳,可以進一步降低系統雜散電感。但要注意,某些可能部署在嚴苛環境中的應用不能採用CSP或BGA封裝。

  • IC製程改進

IC開關節點需要非常穩健,以處理開關期間的高dV/dt (大於200V/ns)和負電壓。其內部自舉二極體也需要盡可能趨近零反向恢復電荷(Qrr)以實現更高頻率。這些需求為IDM或晶圓代工廠提出了挑戰,要求其不斷改進IC製程。

  • 對死區時間最佳化的進一步研究

出於安全目的,高側開關關斷和低側開關導通之間有較短的死區時間。在此期間,GaN FET的「本體二極體」會傳導負載電流。GaN FET獨特的「本體二極體」模式具有零反向恢復電荷,但正向壓降非常大。因此,在死區期間,不僅傳導損耗會增加,而且自舉電容也可能會過度充電,直至損壞頂部的元件。為了實現非常小但仍然安全的死區時間,還必須考慮IC和其他BOM參數因溫度和批量生產的差異而發生的變化。

像ISL81806這樣的E-MODE控制器使用針對GaN FET最佳化的固定最小死區時間,且EPC9157 EVB專門設計了外部低成本保護電路,以避免自舉電容過度充電。不過,這又可能會限制實際的工作頻率,部分DC/DC IC供應商會添加死區時間程式設計引腳或提供死區時間數位化程式設計。無論採用哪種方式,死區時間選擇的艱巨任務都落在電路設計人員肩上。未來,需要更智慧的IC功能特性。

  • 增加靈活性以適應各種GaN技術

與普通矽FET不同,各種GaN FET (包括增強型GaN FET)可能具有完全不同的設計。例如,建議的閘極電壓可能因製造商不同而差異很大,這會帶來麻煩,因為閘極電壓需要透過不同的OVP等級來保護。除了未來產品中的其他可能變數之外,閘極驅動電壓也需要可程式設計。

GaN FET未來可期,終有一日,它會以更合理的成本和更出色的性能,直接替代矽FET。而像ISL81806這類控制器正在透過進一步的產品開發助力實現這一目標。如果控制器設計得當,使用GaN FET會像使用矽FET一樣輕鬆自如。

(參考原文:Simple Use of GaN FETs in 48V Systems,by Zhihong Yu)

本文原刊登於EE Times China 2021年12月刊

 

 

 

 

 

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