對(duì)減小電源尺寸的需求不斷增長(zhǎng)，不斷挑戰(zhàn)該行業(yè)生產(chǎn)越來(lái)越高的效率和功率密度。由于硅器件達(dá)到其頻率限制（<100 kHz），提高硅基電源性能的能力已經(jīng)放緩，這阻礙了電路拓?fù)浜痛判栽O(shè)計(jì)的進(jìn)一步優(yōu)化。新興GaN 寬帶隙器件由于 QG 柵極電荷降低 15 倍、Qoss 輸出電荷降低 16 倍以及開關(guān)速度提高，效率和尺寸顯著提高。GaNSense 電源 IC 集成了可靠、穩(wěn)健設(shè)計(jì)所需的所有缺失要素，使這些設(shè)備終走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入現(xiàn)實(shí)世界的快速充電器和適配器。其中包括 GaNSense 功率 IC 和 GaNSense 半橋 IC 中的集成柵極驅(qū)動(dòng)、穩(wěn)壓柵極電壓、無(wú)損電流感應(yīng)和保護(hù)功能（圖 1）。這些產(chǎn)品支持新的電路拓?fù)?，業(yè)界正在利用它們來(lái)推進(jìn)更小、更高效的設(shè)計(jì)。

　　圖 1.  GaNSense 功率 IC 和 GaNSense 半橋 IC 簡(jiǎn)化框圖和主要特性。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
　　GaNSense 提高 PFC 頻率和效率

　　輸出功率大于 75 W 時(shí)需要功率因數(shù)校正(PFC)。傳統(tǒng)升壓 PFC 轉(zhuǎn)換器因其簡(jiǎn)單、諧波電流低和成本低而占據(jù)主導(dǎo)地位。許多現(xiàn)成的 PFC 控制器提供多模式 CRM 或 DCM 操作，以提高系統(tǒng)效率和線路電流諧波。GaNSense 功率 IC 通過(guò)提高開關(guān)頻率來(lái)減小電感器尺寸并提高效率來(lái)減少損耗和熱量，從而改進(jìn)了這種拓?fù)洌▓D 2）。與硅 FET 相比，集成 GaN FET 的輸出電荷和柵極電荷較低，因此可以輕松提高頻率。為了提高效率，GaNSense 功率 IC 集成了一種無(wú)損電流感應(yīng)方法，消除了外部 RCS 電流感應(yīng)電阻器及其相關(guān)熱點(diǎn)和占位面積。

　　圖 2. 硅基升壓 PFC（左）與無(wú)損 GaNSense 升壓 PFC（右）。圖片由博多電力系統(tǒng)提供

　　可以添加升壓跟隨器功能以進(jìn)一步提高效率，以便直流母線在低壓線路交流輸入期間以較低的電壓運(yùn)行。這樣可以降低峰值電流水平、降低負(fù)電流和循環(huán)能量以及降低磁芯損耗（圖 3）。所有這些改進(jìn)相結(jié)合可額外帶來(lái) +0.3% 的效率優(yōu)勢(shì)。

　　圖 3. 在滿負(fù)載和不同直流母線電壓水平（90 VAC/400 V（左）和 90 VAC/260 V（右））的情況下，在交流半周期內(nèi)提升峰值電感器電流。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 
　　GaNSense 支持 AHB，AHB 支持 PD 3.1

　　準(zhǔn)諧振反激式由于其寬電壓增益能力而成為下游轉(zhuǎn)換器的流行拓?fù)洹Ｈ欢?，?dāng)功率水平增加到 100 W 以上時(shí)，變壓器泄漏能量顯著增加。隨著泄漏能量的增加，初級(jí)開關(guān)和次級(jí) SR 開關(guān)上的電壓應(yīng)力也會(huì)增加，包括更高的電壓尖峰和EMI 噪聲。此外，USB供電規(guī)范修訂版3.1支持更高的輸出電壓水平，例如28V至48V，這使得反激變壓器匝數(shù)比的設(shè)計(jì)更加困難。初級(jí)和次級(jí)上的電壓應(yīng)力遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的 20 V 輸出條件。非對(duì)稱半橋反激式轉(zhuǎn)換器采用初級(jí)側(cè)開關(guān)的零電壓開關(guān) (ZVS) 和次級(jí)側(cè)整流器的零電流開關(guān) (ZCS) 運(yùn)行。此外，初級(jí)開關(guān)被鉗位在PFC處輸出電壓通常約為 400 V，因此應(yīng)力和電壓振鈴問(wèn)題得到顯著緩解。出于這些原因，AHB 拓?fù)涫?PD 3.1 應(yīng)用的，而 GaNSense 半橋 IC 可以實(shí)現(xiàn)小變壓器尺寸的高頻操作和無(wú)損電流感應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)更高的效率（圖 4）。

　　圖 4. 硅基 QR 反激式（左）與無(wú)損 GaNSense AHB 反激式（右）。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  

　　140 W，PD 3.1 評(píng)估板

　　完整的 PFC+AHB 140 W、PD 3.1 評(píng)估板 (EVB)（圖 5）已經(jīng)構(gòu)建并測(cè)試了功能和性能。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了令人印象深刻的 100 cc 估計(jì)外殼尺寸，功率密度為 1.4 W/cc。EVB 包括優(yōu)化的 PFC、AHB 和 SR 功率級(jí)和磁性器件，并使用現(xiàn)成的控制器。PFC 和 AHB 電源系圍繞 NV6138A GaNSense 電源 IC 和 NV6245C GaNSense 半橋 IC 設(shè)計(jì)。EVB 還包括EMI 濾波并通過(guò)傳導(dǎo)和輻射發(fā)射。

　　圖 5.  140 W、PD 3.1 評(píng)估板，效率 = 94.5%，估計(jì)外殼尺寸 = 100 cc。圖片由博多電力系統(tǒng)提供 

　　滿載升壓PFC波形如圖 6 所示。在 115 VAC 線路輸入期間，升壓電路在零電壓開關(guān) (ZVS) 條件下工作，其中升壓開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓 (VSW) 在 GaN 功率 FET 導(dǎo)通之前降至零。每個(gè)開關(guān)周期。在 230 VAC 線路輸入期間，升壓電路在部分 ZVS 條件下運(yùn)行，其中 VSW 下降至約 100 V，然后從該處硬切換至零?？刂破髟陉P(guān)斷期間自動(dòng)檢測(cè) VSW 節(jié)點(diǎn)的谷值，以便在每個(gè)開關(guān)周期再次開啟，以盡可能優(yōu)化電壓水平的開啟點(diǎn)，從而限度地減少硬開關(guān)損耗。由于 GaN 功率 IC 具有非常低的輸出電容，因此漏極電壓將在每個(gè)周期快速降至谷值?？刂破鞅仨毦哂锌焖俟戎禉z測(cè)功能，以確保在 VSW 電壓恢復(fù)之前在點(diǎn)開啟。升壓跟隨器功能還可以在低線電壓條件下直流母線電壓降低至 300 VDC 以及高線電壓條件下升高至 400 VDC 時(shí)發(fā)揮作用。

　　圖 6. 滿負(fù)載條件下的升壓 PFC 開關(guān)波形，115 VAC 輸入（左）、230 VAC 輸入（右），IL=藍(lán)色（1 A/格），VDS=黃色（100 V/格）。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]

　　圖 7 顯示了 115 VAC 輸入和滿負(fù)載條件下的 AHB 半橋開關(guān)節(jié)點(diǎn) (VSW) 和槽路電流 (IL) 波形。諧振槽路電流在每個(gè)半橋低側(cè)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)線性上升，然后在每個(gè)半橋高壓側(cè)準(zhǔn)時(shí)諧振。這使得 GaNSense 半橋 IC VSW 輸出節(jié)點(diǎn)在每個(gè)開關(guān)周期期間都能實(shí)現(xiàn)干凈、平穩(wěn)的 ZVS 操作。AHB 工作頻率范圍為 125 至 300 kHz，具體取決于輸入線路和輸出負(fù)載條件。

　　圖 7.  115 VAC 輸入和滿負(fù)載條件下的 AHB 開關(guān)波形，IL=藍(lán)色（2 A/格），VSW=黃色（100 V/格）。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]

　　效率曲線（圖 8）顯示 4 點(diǎn)效率和負(fù)載效率。該設(shè)計(jì)在 90 VAC 輸入條件下實(shí)現(xiàn)了驚人的 94.5% 滿載效率，比的產(chǎn)品至少高出 1%，節(jié)能高達(dá) 20%。90 VAC 和滿負(fù)載時(shí)的效率決定了終適配器產(chǎn)品的外殼尺寸和外殼接觸溫度。

　　圖 8.4 點(diǎn)效率（左）和負(fù)載效率（右）曲線。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]

　　，傳導(dǎo)和輻射 EMI始終是電源設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問(wèn)題。由于更快的開關(guān)速度和頻率，采用 GaN 的新設(shè)計(jì)不斷受到 EMI 挑戰(zhàn)的質(zhì)疑。設(shè)計(jì)人員通常在設(shè)計(jì)接近完成階段時(shí)才解決其設(shè)計(jì)的 EMI 部分，結(jié)果卻驚訝地發(fā)現(xiàn)排放遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了允許的限制。該設(shè)計(jì)的 EMI 掃描（圖 9）顯示，傳導(dǎo) EMI 和輻射 EMI 均遠(yuǎn)低于限制，并且具有足夠的制造公差余量。這些結(jié)果可以通過(guò)在設(shè)計(jì)階段盡早實(shí)施適當(dāng)?shù)?EMI 指南來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中包括 PCB 接地層、電感器屏蔽、正確設(shè)計(jì)的 EMI 濾波器組件、正確的 PCB 平面規(guī)劃以及組件位置和鄰近度等良好實(shí)踐。

　　圖 9.  115 VAC/140 W 下的傳導(dǎo)發(fā)射（左）和 230 VAC/140 W 下的輻射發(fā)射（右）。圖片由博多電力系統(tǒng)提供
　　高密度設(shè)計(jì)總結(jié)
　　隨著業(yè)界追求更高密度的設(shè)計(jì)，GaNSense 功率 IC 和 GaNSense 半橋 IC 帶來(lái)更高的頻率，改善現(xiàn)有拓?fù)?，解鎖未來(lái)拓?fù)?，并終實(shí)現(xiàn)更高的效率。還需要下一代高頻控制器以及新型磁性材料來(lái)實(shí)現(xiàn)完整的高速生態(tài)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)更低的溫度和更小的尺寸。改進(jìn)現(xiàn)有 PFC 電路或使用 AHB 等新電路只是可能性的一小部分例子。隨著 GaN 不斷改進(jìn)和解鎖現(xiàn)有和新的拓?fù)洌鄤?chuàng)新即將到來(lái)。