當(dāng)今的電源設(shè)計(jì)要求高效率和高功率密度。因此，設(shè)計(jì)人員將氮化鎵 (GaN) 器件用于各種電源轉(zhuǎn)換拓?fù)洹?/p>

GaN 可實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)，這樣可減小無源器件的尺寸，從而增加密度。與硅和碳化硅 (SiC) 之類的技術(shù)相比，GaN 還可降低開關(guān)、柵極驅(qū)動和反向恢復(fù)損耗，從而提高電源設(shè)計(jì)效率。

您可以使用 650V GaN FET 進(jìn)行 AC/DC 至 DC/DC 轉(zhuǎn)換，或使用 100V 或 200V GaN FET 進(jìn)行 DC/DC 轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)電源供應(yīng)。

如果您從事尖端產(chǎn)品的研發(fā)，為了簡化采購團(tuán)隊(duì)的供應(yīng)鏈，選擇采用業(yè)界通用封裝的器件也很重要。因此，對于 650V 應(yīng)用，變壓器外形無引腳 (TOLL) 封裝在高功率電源設(shè)計(jì)中越來越受歡迎。

除了選擇業(yè)界通用器件之外，德州儀器 (TI) 的 LMG3650R035 GaN 場效應(yīng)晶體管 (FET) 之類的集成器件在創(chuàng)建跨各種電源拓?fù)涞母呙芏取⒖煽窟\(yùn)行的設(shè)計(jì)時也可發(fā)揮重要作用。該器件具有集成柵極驅(qū)動器以及過流保護(hù)、過熱保護(hù)和短路保護(hù)等保護(hù)電路。集成保護(hù)電路有助于減少實(shí)現(xiàn)這些特性所需的外部元件。該器件還支持高壓應(yīng)用中的多種電源拓?fù)洌▓D騰柱功率因數(shù)校正 (PFC)、電感電容器、相移全橋和雙有源電橋。

集成柵極驅(qū)動器可幫助您創(chuàng)建簡潔的高密度布局，同時顯著減少寄生耦合，如 圖 1 所示。集成在高開關(guān)頻率的電源轉(zhuǎn)換中變得尤為重要，因?yàn)闁艠O環(huán)路中的電路寄生耦合會導(dǎo)致柵極噪聲和重疊損耗增加。使用集成式功率級，寄生耦合可以忽略不計(jì)，并且能簡化布局。

圖 1: 電路寄生效應(yīng)集成式 GaN 功率級與分立式 GaN

TI 高壓 TOLL 器件的應(yīng)用領(lǐng)域

讓我們回顧一下 TI 的 TOLL 器件的幾個主要應(yīng)用領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域中，您可以利用集成保護(hù)特性、集成零電壓檢測（可減少第三象限損耗）以及可忽略不計(jì)的寄生耦合導(dǎo)致的更低重疊開關(guān)損耗。

用于數(shù)據(jù)中心和電信供電的 PSU

隨著對數(shù)據(jù)中心和超大規(guī)模計(jì)算的需求不斷增長，打造高效且高功率密度的電源單元 (PSU) 的需要將呈指數(shù)級增長。即使電信領(lǐng)域從 4G 發(fā)展到5G（以及現(xiàn)在的 6G），設(shè)備的功率要求也在不斷提高，而外形尺寸仍然不變。

這種情況成為集成 650V TOLL 器件的典型用例，主要通過 PFC 和 DC/DC 級將交流電源轉(zhuǎn)換為直流總線，如 圖 2 所示。對于前面提到的拓?fù)洌覀儾捎?TOLL 封裝的 GaN 器件可在 PFC 級實(shí)現(xiàn)超過 99% 的效率，在 DC/DC 級實(shí)現(xiàn)超過 98% 的效率。

圖 2: PSU 方框圖

太陽能微型逆變器

太陽能作為一種電源正在呈現(xiàn)上升趨勢。如 圖 3 所示，雙向 DC/DC 和 PFC 以及逆變器級均可使用集成 GaN TOLL 器件將太陽能電池板電壓轉(zhuǎn)換為交流電。隨著清潔能源要求的迅速提高，使用業(yè)界通用器件實(shí)現(xiàn)高效率、高功率和小尺寸非常重要。

TOLL GaN 器件可通過業(yè)界通用的封裝尺寸和集成特性增加價值。這些器件可幫助您使用不同的漏源導(dǎo)通電阻調(diào)整到不同的功率級別以及不同拓?fù)洌瑫r不需要費(fèi)心考慮布局，因?yàn)榇蠖鄶?shù)檢測和優(yōu)化特性都已集成在功率級中。

圖 3: 微型逆變器方框圖

電視電源

大屏幕（40 英寸以上）電視市場具有相當(dāng)大的增長潛力，而且出于美學(xué)考慮，屏幕變得越來越輕、越來越薄。由于屏幕越大對功率的要求越高，但更為輕薄，因此提高電視的能效非常重要。AC/DC 轉(zhuǎn)換可以利用 PFC 和 DC/DC 級中的 TOLL 器件。

集成 TOLL GaN 器件讓您能夠保持無源器件的尺寸不變，并通過簡單的布線盡可能減少外部電路，從而獲得更薄的印刷電路板。該設(shè)計(jì)還將更加高效，同時仍采用業(yè)界通用封裝。

2W、3W 和 4W 車載充電器

在全球致力于努力減少尾氣排放的時代，汽車電氣化的新聞經(jīng)久不衰。輕松實(shí)現(xiàn)移動充電要求電動汽車上有車載充電器 (OBC)。由于 OBC 在電動汽車中位于底盤，因此它應(yīng)具備高功率密度和高效率，以盡可能縮小占用的空間并降低損耗，因?yàn)闆]有主動冷卻功能來耗散損耗。

圖 4 顯示了典型的 OBC 方框圖。高集成度的 TOLL GaN 器件可以幫助 PFC 和 DC/DC 級通過集成以及更高的開關(guān)頻率來優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸，并降低損耗（柵極驅(qū)動和開關(guān)損耗）以實(shí)現(xiàn)更有效的熱耗散。利用 TOLL GaN 器件，在器件級還支持所有保護(hù)功能，這將有助于提高 OBC 設(shè)計(jì)的彈性，同時保持業(yè)界通用的封裝尺寸。

圖 4: 車載充電器

結(jié)語

未來電源設(shè)計(jì)人員面臨的最大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一，是如何以盡可能低的損耗和高密度設(shè)計(jì)達(dá)到不斷提高的功率等級。通過將集成 GaN 與業(yè)界通用封裝相結(jié)合，高集成度 TOLL GaN 器件可提供出色的性能，還免去了額外電路和復(fù)雜 PCB 布局的麻煩。這有助于降低設(shè)計(jì)的冗雜程度。此外，這還將強(qiáng)化其他終端設(shè)備領(lǐng)域的設(shè)計(jì)，例如，同樣重視簡單、高密度設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動器、工業(yè)電源和電器電源。

隨著 GaN FET 技術(shù)的突飛猛進(jìn)，我們將在未來不斷投資和提高 TOLL 器件的品質(zhì)因數(shù)，從而幫助設(shè)計(jì)人員努力在同一領(lǐng)域提供更高的功率。