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把MOSFET替换成GaN器件,65W电源适配器就能秒变100W水平?

2019-10-14 09:59:56 来源:电子技术设计

日前,在PI的媒体见面会上,Power Integrations资深技术经理阎金光(Jason Yan)告诉记者,该公司已将PowiGaN开关技术(PI的GaN技术)扩展到了InnoSwitch3 ,从而扩展了其使用范围。

近年来,在电源领域,USB PD/USB C和氮化镓(GaN)成为了两个关键词。USB PD能够提供大功率输出,在消费类设备(包括家电设备)中有一统天下之势。GaN开关管则由于出众的耐高温和高频、低损耗特性,成为高性能标杆电源产品设计的理想之选。那么,这两者是否有结合的可能呢?

日前,在PI的媒体见面会上,Power Integrations资深技术经理阎金光(Jason Yan)告诉记者,该公司已将PowiGaN开关技术(PI的GaN技术)扩展到了InnoSwitch3 ,从而扩展了其使用范围。

阎金光介绍说,InnoSwitch3包括三个系列:InnoSwitch3-CP是恒功率应用;InnoSwitch3-EP适合敞开式应用(即嵌入式电源,适合微波炉等家电内部空气流通比较好,周围环境温度不太高的应用);InnoSwitch3-Pro即可编程,带有I2C接口和MCU。

InnoSwitch3以前采用的是硅MOSFET开关管,对于65W以下应用没有问题。但若想提高功率输出,则需要用GaN开关管来代替。GaN等宽禁带器件适合高温应用,可以提高开关频率,使开关损耗(即开关期间电压和电流交叠部分)变小。其单位面积的RDS(ON)更小,因此也可使导通损耗(I2R)变小。这样InnoSwitch3的功率输出就可以拓展到最大100W的水平(敞开式)。

他补充说,为什么是非原装的USB PD适配器呢?GaN这项技术其实早在十几年前就已开始陆续研发,但一直无法进行可靠的大批量生产。业界都想尝试走到技术前端,但它会有一定风险性。因此现在市场上看到的还是非原装的USB PD适配器。但是随着这个市场起来,华为、小米等一线OEM原厂将会跟进。

“现在在市场上唯一能稳定大批量供货的厂商就是Power Integrations。目前没有一颗芯片因为技术问题而被返回原厂做质量分析。”他强调。

对于分立式GaN晶体管来说,它需要连接控制器,这在布局上就非常具有随意性。变压器周边元器件的误差可能对GaN开关带来危险,造成它损坏。因此PI将它集成到了IC中。

采用PowiGaN的InnoSwitch3只是把开关管替换成了GaN器件。频率不变,仍为100kHz。那么,既然GaN能够耐高温又能高频操作,为什么不工作在200或300kHz呢?阎金光解释说,如果增加工作频率,则开关损耗反而会增大。这样就会丧失GaN所带来的一些优势。你可能认为,开关频率增大可以使变压器做小,从而使电源的整个设计缩小。但真是如此吗?事实上,如果把开关频率做高,EMI就会增大,这样就要增加滤波元件,因此电源不见得能够做小。PI认为这里有个最佳平衡点,可以平衡电源体积和成本以及效率,因此并不主张工作在300k甚至400k。“GaN开关本身是没有问题的。但是随着频率增加,电源的整个指标会变差,需要花额外的成本把它修正过来,这样电源反而不能做到更小。”他补充说。

另外,PI也将PowiGaN技术扩展到了其LYTSwitch-6照明系列之中。LYTSwitch-6实际是InnoSwitch3在照明应用中的拓展。使用PowiGaN的LYTSwitch-6输出功率可以做到最高110W的水平——在照明应用中一般都会有前级功率因数校正(PFC),在有PFC的情况下,输出功率可以做到更大(InnoSwitch3是100W最大)。750V耐压对于照明应用优势更大——照明驱动器经常会因雷电原因而被损坏掉。

LYTSwitch-6的优势

传统LED驱动器方案(反激电源)初级侧有一个控制器和一个MOSFET,同时执行电流检测。次级侧则是利用光耦进行反馈。次级整流采用同步整流,它采用单独的控制芯片。为了实现电压电流控制,需要执行相应检测,然后通过光耦把信息反馈到初级侧。

LYTSwitch-6则是实现了高度集成,它集成了PowiGaN/MOSFET开关、初级侧控制器、FluxLink、同步整流驱动、输出电压电流检测。

GaN开关管提高了LYTSwitch-6的性能,具体表现在更高的效率和输出功率。

由于是两级整流(PFC+反激变换),效率为两级的乘积,最高能够做到90.5%。

此外,PI还同时发布了CAPZero-3产品,它适用于家用电器中的EMI滤波器部分。阎金光介绍说,电源功耗有很多种,例如电源的待机功耗,有一部分来自于X电容的放电电阻。X电容在功率比较大的设计中基本都会用到,它跨接在零线与火线之间,用来短路EMI。如果没有X电容,电源产生的EMI就会通过导线传导到电网中去。这样就会对电网上其他用电设备产生影响。

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