摘要: 氮化鎵成爲電子行業的熱門技術,圍繞氮化鎵的產品、可靠性和解決方案是目前業界關注焦點。本文將探討充電器的技術發展趨勢和氮化鎵(GaN)功率器件在高功率、小型化需求下的巨大市場前景,然後從器件性能、可靠性和解決方案三個方面表明氮化鎵系統 (氮化镓系统 (GaN Systems)) 公司爲終端客戶提供更低成本、更高可靠性和更完整的氮化鎵功率器件產品及系統解決方案。

1. 市場前景

2020年是消費類充電器特別是快充市場快速發展的重要年份,隨著市場不斷成熟和趨勢日益明確,消費者對小尺寸和大功率快速充電器需求越來越大,市場前景巨大。其中兩個重要技術指標就是高功率密度和高效能。高功率密度體現在同一額定功率下的小體積,而高效能體現在節能環保和更低的工作溫度上。氮化鎵器件由於具有極高的開關速度、同一晶圓下的小通態電阻,使得更高效能和更高開關頻率快速充電成爲可能。2020年内置氮化鎵器件的快充技術進入快速發展階段,根據行業調查顯示,作爲消費類電子風向標的手機行業中,目前已經有華爲,小米,OPPO等多個知名品牌推出了基於氮化鎵快充產品。電商方面,更有多達20家品牌先後推出氮化鎵基快充產品。

圖一總結了兩個主要功率段下充電器的主要電路和功率密度以及效能指標要求。對於75W以下(30W-65W)充電器,目前主要電路為單端准諧振(Quasi-Resonant, QR)反激或有源箝位反激(Active Clamp Flyback, ACF)兩種電路。最高效能指標要求接近94%,功率密度要求20W/in3。高於75W(100W-300W)充電器,目前基本采用兩級電路方案,前級是功率因數校正電路(PFC)后級為LLC諧振或其他隔离DC/DC電路。目標最高效能要求達到95%,功率密度要達到22W/in3以上。與傳統矽(Si)基功率器件相比,新材料的氮化鎵器件具有更高的性能,為充電器特別是快充產品的小型化和高效能帶來可能。

圖一:充電器市場拓撲電路和技術指標

 

2. 氮化鎵器件與矽基器件的比較

氮化鎵器件由於其寬禁帶特點,它的主要優勢在於高開關速度和低開關損耗上,另外對於同一晶圓大小的功率器件,氮化鎵功率器件具有低於矽基器件的通態電阻。系統層面可以帶來更高效能,更低工作溫度和更小體積,因此非常適用於小體積、高功率密度的充電器產品設計。表一總結了已量產的氮化鎵功率器件與目前市場上最優的矽基MOSFET的比較。可以看到,氮化鎵器件在具有較低的通態電阻下,同時兼具更低的驅動電荷Qg、漏柵極電荷Qgd和輸出能量Eoss,使得高頻率高效能成爲可能。

表一: 氮化鎵器件與矽基MOSFET比較

圖二是典型的准諧振(QR)反激電路拓撲,由於它的低成本和較高可靠性,多用於充電器電路中。在該電路中爲了提高充電器的功率密度,一個直接的方法就是增大開關頻率來降低變壓器等元件的尺寸。然而提高開關頻率以後必然帶來額外的器件開關損耗和溫升。QR反激電路主要有兩個與開關頻率相關的損耗,頻率越高相應損耗越大:

  1. 在功率器件關斷瞬間原邊電流達到峰值電流,功率器件在硬關斷過程關閉,存在電壓電流交曡的關斷損耗。它可以由器件驅動電荷Qg和漏柵極電荷Qgd參數來評價。
  2. 在器件開通時刻,由於此時電流基本為零,因此不存在開通電壓電流交曡開關損耗,但QR反激電路在高壓交流電壓輸入(230Vac)條件下器件開通瞬間漏源極電壓並不為零,所以存在由於内部寄生電容放電產生的放電損耗。它可以由寄生電容對應的輸出能量Eoss參數來評價。

圖二:典型的准諧振(QR)反激電路拓撲和開關過程中的損耗

評價一個功率器件特性重要指標是品質因數(Figure Of Merit,FOM),它綜合評估器件的通態和開關特性,越小的FOM代表越優的器件性能。其中 Input FOM表明了器件在同等通態電阻下器件的開關過程中電壓電流交曡損耗,它是硬開關電路評估器件的最重要指標,例如QR反激電路的關斷損耗就可以用這個指標來比較。如圖三所示,在相近通態電阻(50-60毫歐)條件下,氮化鎵器件的漏柵極電荷Qgd僅爲矽基器件的6%,導致開關過程中氮化鎵器件電壓電流交曡損耗遠小於矽基器件,約爲矽基器件的五分之一。

圖三:氮化鎵和矽基器件縂電荷比較,以及交曡開關損耗比較

QR Flyback FOM表明QR反激電路中在同等通態電阻下器件在200V下寄生電容產生的放電損耗,這裏電壓條件為200V是因爲,當輸入交流電壓為高壓230Vac條件下,QR反激電路功率器件漏源極電壓約爲200V條件下開通,將在此條件下產生寄生電容影響的開通損耗。圖四可以看到,在相近的通態電阻下,氮化鎵器件的Eoss僅爲矽基器件的60%左右,導致開通電容放電損耗遠低於業界最好的矽基器件。

因此總結表一和上面分析:氮化鎵器件在各方面器件性能上均優於矽基MOSFET器件,適用於高頻化高效應用,實現最佳性能。

圖四:氮化鎵和矽基器件的輸出能量Eoss比較

 

3. 氮化鎵產品及可靠性

作爲一位研發工程師,在研發充電器產品時主要關注以下三個方面:第一是產品的可靠性,代表器件在產品壽命中具有高的可靠性和低的失效率,滿足產品的設計壽命;第二是低成本,除了器件自身成本以外,還需要考慮整體的BOM成本和生產成本;第三是產品能夠快速推向市場,縮短產品設計周期。

氮化镓系统 (GaN Systems)一直致力於優秀氮化鎵功率器件的研發和生產。目前已經擁有業界最全產品覆蓋範圍,最高工作電流和最優封裝的氮化鎵產品綫。其中針對快充市場推出了650V 5×6毫米 PDFN封裝的氮化鎵器件,通態電阻從150毫歐(GS-065-011-1-L)到450毫歐(GS-065-004-1-L),它可以用於30W到300W的充電器產品中。

在可靠性方面,氮化镓系统 (GaN Systems)嚴格按照超過JEDEC標準的產品認證流程,表二給出了部分測試高於JEDEC標準的測試項目和延長測試時間的倍數,同時基於氮化鎵器件自身特性還增加了多個額外可靠性測試項目,比如高溫開關動態壽命測試。這樣可以保證氮化鎵產品的可靠性和長工作壽命。圖五比較了氮化镓系统 (GaN Systems)氮化鎵器件與同類氮化鎵器件在准諧振(QR)和有源箝位反激(ACF)兩種電路的失效率,該失效率數據是居於業界通用方法,在實測高溫高壓數據下通過韋伯圖(Weibull Plot)得到相關加速因子,進而預測出在實際產品工作壽命下的失效率。可以得出結論

二:氮化镓系统 (GaN Systems)可靠性測試超過JEDEC標準

 

圖五:氮化镓系统 (GaN Systems)氮化鎵產品和同類氮化鎵產品的失效率對比

 

4. 帶EZDrive電平轉換電路的氮化鎵驅動方案

對於增强型氮化鎵器件驅動,開通推薦電壓為6V左右,關斷推薦電壓可以為0V到-10V,而傳統的帶驅動的充電器控制IC輸出驅動電壓一般為12V,因此爲了和控制IC的驅動電壓配合,需要進行驅動電壓的電平轉換。爲此氮化镓系统 (GaN Systems)提出了低成本的EZDrive電平轉換電路,如下圖所示,通過簡單的四個小分離元件(RUD, CUD, ZDUD1和ZDUD2)實現了驅動電壓的轉換,采用該電路后氮化鎵器件驅動實測波形VGS沒有任何過冲和干擾振蕩。

圖六:EZDrive電平轉換電路和驅動波形

采用EZDrive電平轉換電路配合氮化鎵器件驅動的另一個優勢在於其驅動電阻Ron和Roff外置,如圖七所示,可以通過驅動電阻來控制漏源極驅動電壓斜率dv/dt進而優化EMI設計。和其他單晶片集成驅動GaN方案相比,氮化鎵器件加上EZDrive電平轉換電路具有更強的靈活性,並充分利用控制IC内部集成的驅動實現了低成本驅動氮化鎵器件,同時由於驅動電阻外置,可以控制開關dv/dt斜率進而優化電磁干擾(EMI)設計。

圖七:EZDrive電平轉換電路控制漏源極電壓上升和下降斜率dv/dt

 

表三:EZDrive電平轉換電路與其他驅動電路比較

 

5. 基於氮化鎵器件的充電器解決方案

爲了幫助客戶快速占領市場並采用相關氮化鎵產品,氮化镓系统 (GaN Systems)推出了一系列的針對快充等充電器市場的解決方案,方案覆蓋了30W到300W功率等級,如圖八所示,方案包含了多個充電器常見功率和電路拓撲(包括准諧振QR反激,有源箝位反激ACF,LLC諧振,功率因數校正PFC等),這些方案都采用了氮化鎵器件實現了極高的效能和功率密度。

圖八:氮化镓系统 (GaN Systems)氮化鎵充電器市場的解決方案

圖九是集成了650V 5X6毫米 PDFN封裝的氮化鎵器件和EZDrive驅動電平轉換電路的小子板(Daughter card)。客戶可以利用這個小子板快速取代TO220等封裝矽基MOSFET器件以評估氮化鎵器件在性能上的優勢,這是一種非常直接簡單的方法來理解氮化鎵的高性能。其中EZDrive電平轉換電路利用四個小分離元件(R1, C1, D2和D3)實現了氮化鎵器件與傳統驅動器或控制器IC的低成本兼容。

圖九:氮化鎵5X6毫米PDFN器件+EZDrive電平轉換電路小子板參考設計

如圖十所示,65W高功率密度(18.5W/in3)PD方案是針對快充市場新進推出的整體解決方案,其携帶了150毫歐氮化鎵器件(GS-065-011-1-L),采用准諧振(QR)電路實現了業界領先的低成本、高頻率解決方案。方案最高效能接近94%,滿足CoC V5 Tier2的效能和待機功耗要求,帶殼最高殼溫低於65度以下。除了兩層PCB板低成本設計、高效能和高功率密度之外,方案還通過了安規標準及EN55032 B類EMI傳導和輻射的全面測試,支持USB-C多種協議輸出,客戶拿到整體解決方案后可以縮短產品設計周期,快速推向快充消費類市場。

圖十: 65W PD快充參考設計

如圖十一所示,300W 高功率密度AC/DC充電器方案采用了 GS66504B氮化鎵器件,電路采用同步升壓PFC和LLC諧振電路中,實現了最高95%的效能,34W/in3的功率密度,滿足EN55032 B類EMI傳導要求。其中LLC諧振軟開關電路開關頻率達到500KHZ,充分體現了氮化鎵功率器件在高頻軟開關電路下的獨特優勢。

圖十一: 300W充電器參考設計

 

6. 總結

文章比較了氮化鎵功率器件在消費類充電器市場的優勢,介紹了氮化鎵系統(氮化镓系统 (GaN Systems))公司(https://gansystems.com/)在充電器市場的產品和65W/300W解決方案。所以采用氮化鎵功率器件后,為充電器特別是快充產品的小型化、高效能、低溫度和低成本帶來可能,將為市場打開了全新的局面。