氮化镓晶体管有助于使充电电路更小、更经济。

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氮化镓晶体管有助于使充电电路更小、更经济。 [复制链接]

谈到消费类设备的快速充电电源适配器，高功率密度和高效率是现在的两大技术要求。凭借快速的开关速度和低通态电阻 (R dson )，GaN 晶体管使适配器能够以高效率快速充电。华为、小米、OPPO等知名手机品牌，以及20多个售后品牌，纷纷推出GaN基快充适配器产品。

对于 75 W (30-65 W) 以下的充电器，准谐振 (QR) 反激式和有源钳位反激式 (ACF) 是主要拓扑，其效率接近 94%，功率密度为 20 W/in 3。75 W (100-300 W) 以上的充电器通常采用两级拓扑结构，在前级使用功率因数校正 (PFC) 电路，在第二级使用 LLC 谐振电路或其他隔离式 DC/DC 转换器。目标最大效率约为95%，功率密度应超过22 W/in 3。与传统的硅 MOSFET 相比，GaN 晶体管的性能更好。
宽带隙 (WBG) 半导体的优势使 GaN 电路能够以更高的开关速度和更低的开关损耗工作。为了将 GaN 晶体管与相同裸片尺寸的硅 MOSFET 进行比较，GaN 具有更低的 R dson和更低的工作温度。GaN 晶体管可以支持较低的驱动栅极电荷 (Q g )、栅极漏极电荷 (Q gd ) 和具有较低 R dson的输出能量 (E oss ) 。
QR 反激电路拓扑因其经济可靠而广泛用于适配器电路。提高开关频率以减小变压器等无源元件的尺寸是提高适配器功率密度的有效方法。但是，这种方法不可避免地会导致额外的开关损耗和温度升高。有两种与开关频率相关的 QR 反激损耗。频率越高，损耗越大。

在关断期间，漏极电流达到峰值，晶体管通过硬开关关闭。结果是电流-电压 IV 交叉损耗。这种切换交叉损耗可以通过 Q g和 Q gd的参数来评估。
在开启期间，电流降至零附近，因此没有 IV 交叉损耗。但是，在 230 Vac 等高交流输入下，QR 反激电路不会执行零电压导通，并且由于晶体管的寄生电容会产生放电损耗。这种电容放电损耗可以通过 E oss来量化。
品质因数（FOM）是评价功率晶体管的通态和开关特性的重要指标。值越小，性能越高。输入 FOM 表示在相同 R dson下切换期间产生的电压和电流重叠损耗。是最重要的评价指标

硬开关电路中的晶体管。在具有相似 R dson (50-60 mΩ) 的情况下，GaN 晶体管的 Q gd仅为硅 MOSFET 的 6%，导致电压和电流重叠损耗的五分之一。
QR 反激式的 FOM 给出了相同 R dson下 200 V 时寄生电容引起的放电损耗。在相似的 R dson下，GaN 晶体管的 E oss仅为硅 MOSFET 的 60% 左右，因此晶体管的寄生电容产生的放电损耗要低得多。
可靠性
设计工程师在开发充电器时关注三个因素：产品可靠性，使用寿命长，故障率低；总成本，包括 BOM 和生产成本以及晶体管成本；和上市时间，目标是显着缩短设计周期。
30 至 300 W 的快速充电器可以使用 650-V 5×6-mm PDFN 封装的 GaN Systems 晶体管，R dson为 150 (GS-065-011-1-L) 至 450 mΩ (GS-065-004-1) -L)。GaN Systems 从 Jedec 标准开始其资格认证流程，并通过延长测试时间的倍数超越该标准。基于 GaN 晶体管特性设计了额外的可靠性测试，例如高温下的开关动态寿命测试。

GaN Systems 器件的驱动器开启电压约为 6 V，关闭电压为 0 至 10 V。传统驱动充电器控制 IC 的输出电压一般为 12 V。因此控制 IC 输出电压必须经过电平转换。GaN Systems 使用低成本 EZDrive 电平转换电路，其中四个简单的分离器件（R UD、C UD、Z DUD1和 Z DUD2 ）转换驱动电压，而 GaN Systems 晶体管的 V GS没有过冲或振荡。
dv/dt 漏源驱动电压斜率由栅极电阻 R g控制，从而改进了 EMI 设计。与其他单片GaN方案相比，GaN Systems晶体管加EZDrive电平转换电路更加灵活，充分利用了控制IC内部集成的驱动器，降低了成本。可以通过控制 dv/dt 斜率切换来优化 EMI。

参考设计将 650V 5×6mm PDFN 封装的 GaN Systems 晶体管与包含 EZDrive 电平转换电路的子卡集成在一起。这种方法允许设计人员快速更换 TO220 封装中的硅 MOSFET 器件，以评估 GaN Systems 晶体管。
快速充电市场的一个参考设计示例是配备 650-V 150 mΩ GaN Systems 器件的 65-W 高功率密度 (18.5 W/in 3 ) PD 充电器 (GS-065-011-1- L)。QR 电路价格低廉，峰值效率接近 94%。符合CoC V5 Tier2的性能和待机功耗，带壳最高温度低于65°C。该设计还通过了安全标准和EN55032 B级传导和辐射EMI测试，还可以支持多种USB-C 协议输出。

在另一个设计中，300 W 高功率密度交流/直流充电器在同步 PFC 升压和 LLC 谐振拓扑中应用 GS66504B GaN Systems 晶体管，峰值效率高达 95%，功率密度为 34 W/in 3。它符合关于 EMI 传导的 EN55032 B 类测试。LLC 谐振软开关电路的频率高达 500 kHz，可实现高功率密度。