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具有保护功能的GaN器件实现下一代工业电源设计的挑战

电子设计 ? 2020-12-20 12:24 ? 次阅读

氮化镓(GaN)半导体的物理特性与硅器件不相上下。传统的电源供应器金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅极双极晶体管(IGBT)只有在牺牲效率、外形尺寸和散热的前提下才能提高功率密度。

使用GaN则可以更快地处理电源电子器件并更有效地为越来越多的高压应用提供功率。GaN更优的开关能力意味着它可以用更少的器件更有效地转换更高水平的功率,如图1所示。GaN半导体能够在交流/直流供电应用,实现新型电源和转换系统。(例如,5G通信电源整流器和服务器计算)GaN不断突破新应用的界限,并开始取代汽车、工业和可再生能源市场中传统硅基电源解决方案。

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图1:硅设计与GaN设计的磁性元件功率密度对比

GaNFET:新的集成系统

大型数据中心、企业服务器和通信交换中心会消耗大量电能。在这些电源系统中,FET通常与栅极驱动器分开封装,因为它们使用不同的工艺技术,并且最终会产生额外的寄生电感。

除了导致较大的形状尺寸外,这还可能限制GaN在高压摆率下的开关性能。另一方面,具有集成式栅极驱动器的TIGaNFET(例如LMG3425R030)凭借150V/ns的压摆率可更大程度降低寄生电感,与分立式GaN相比,其损耗降低了66%,并更大程度地降低了电磁干扰。图2显示了具有集成式栅极驱动器的TIGaNFET。

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图2:具有栅极驱动器和短路保护功能的600VGaNFET的集成

在数据中心和服务器场中,TI的新型GaNFET使得拓扑结构更简单(例如图腾柱功率因数校正),从而降低了转换损耗,简化了散热设计并缩小了散热器的尺寸。与相同尺寸的1U机架式服务器中的硅MOSFET相比,这些器件可实现两倍的功率密度和99%的效率。在考虑长期影响时,这种功率密度和效率节省变得尤为重要。例如,假设一个服务器场通过安装GaN器件每月提高3%的交流/直流效率。如果该服务器场每天转换30kW的功率,那么他们每月将节省超过27kW,约为每月2,000美元,每年24,000美元。

当GaNFET与限流和过热检测功能集成时,它可以防止击穿和热失控事件。此外,系统接口信号可实现自我监测功能。

可靠性是电源电子器件中的关键因素。因此,与传统的级联以及独立GaNFET相比,高度集成的GaN器件可以通过集成功能和保护功能来更有效地提高可靠性并优化高压电源的性能。

使用外部驱动器,寄生电感会导致开关损耗以及高GaN频率下的振铃和可靠性问题。共源电感大大增加了导通损耗。同样,在高压摆率下设计稳健过流保护电路既困难又昂贵。但是,由于GaN本身缺乏体二极管,因此可减少开关节点上的振铃,并消除任何反向恢复损耗。

具有保护功能的GaN器件

GaN器件的结构与硅器件截然不同。尽管它们可以更迅捷地开关,但是从性能和可靠性的角度来看,仍然面临独特的难题。使用分立式GaN器件时,还存在设计简便性和物料清单成本之类的问题。

全新的工业600VGaN器件系列在30-50mΩ功率级集成了GaNFET、驱动器和保护功能,可为100-10kW的应用提供单芯片解决方案。LMG3422R030、LMG3425R030、LMG3422R050和LMG3425R050GaN器件面向高功率密度和高效率应用。

与硅MOSFET不同,GaN可以“类二极管”的方式在第三象限导通,并通过减小电压降尽可能减少死区时间。TI在LMG3425R030和LMG3425R050中的理想二极管模式进一步降低了供电应用中的损耗。请阅读应用手册《使用理想二极管模式优化GaN性能》了解更多信息。

这些GaN器件已通过了4,000万小时的器件可靠性测试,包括加速开关测试和应用内硬开关测试。这些可靠性测试均在最大功率、电压和温度环境下的高度加速开关条件下进行。

结论

开关电源的设计人员一直在努力提高功率密度和效率。硅MOSFET和IGBT的功率密度和效率较低,碳化硅(SiC)器件的功率密度和效率更高,但成本也更高。

GaN器件使解决方案能够获得优质超结FET两倍的功率密度。同样,它们促进了80PlusTitanium等标准认证,这些标准要求服务器和通信应用具有非常高的电源效率。

尽管GaN是电源电子器件领域的一项革命性技术,但仍需要仔细的工艺和材料工程。这要求构建高质量GaN晶体,优化电介质膜并在制造工艺中确保非常干净的界面。除此之外,必须进行熟练的测试和封装。
编辑:hfy

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NCV8876 汽车级启停非同步升压控制器

NCV8871 非同步升压控制器 汽车级

1是一款可调输出非同步升压控制器,用于驱动外部N沟道MOSFET。该器件采用峰值电流模式控制和内部斜率补偿。该IC集成了一个内部稳压器,为栅极驱动器提供电荷。保护功能包括内部设置软启动,欠压锁定,逐周期电流限制,打嗝模式短路保护和热关断。其他功能包括低静态电流睡眠模式和外部同步开关频率。 特性 优势 具有内部斜率补偿的峰值电流模式控制 在宽输入电压和负载范围内的良好瞬态响应 1.2 V 2%参考电压 精确的电压调节 宽输入电压范围3.2 V至40 Vdc,45 V负载转储 适用于各种应用 输入欠压锁定(UVLO) 在欠压条件下禁用启动 内部软启动 Decr缓解浪涌电流 睡眠模式下的低静态电流 非常低的关闭电流 周期 - 循环电流限制保护 防止过电流情况 打嗝模式短路保护(SCP) 防止短路故障 热关机(TSD) 热保护IC 应用 终端产品 启停系统 SEPIC(同相降压升压) 直接注气 汽车系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 20:02 ? 334次 阅读
NCV8871 非同步升压控制器 汽车级

NCV8873 非同步升压控制器 汽车级

3是一款可调输出非同步升压控制器,用于驱动外部N沟道MOSFET。该器件采用峰值电流模式控制和内部斜率补偿。该IC集成了一个内部稳压器,为栅极驱动器提供电荷。保护功能包括内部设置软启动,欠压锁定,逐周期电流限制和热关断。其他功能包括低静态电流睡眠模式和外部同步开关频率。 特性 优势 具有内部斜率补偿的峰值电流模式控制 LED PWM调光能力 0.2 V 2%参考电压恒流负载 宽输入电压和负载范围内的良好瞬态响应 宽输入电压范围为3.2 V至45 V 精确的电流/电压调节 输入欠压锁定 适用于各种各样的应用程序 内部软启动 禁用启动在欠压条件下 睡眠模式下的低静态电流 降低浪涌电流 逐周期电流限制保护 电流非常低 打嗝模式过流保护 防止过电流情况 热关机 热保护IC 应用 终端产品 LED照明,背光,前照灯 启停系统 升压,SEPIC(非反相降压升压) 直接注气 汽车系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 20:02 ? 342次 阅读
NCV8873 非同步升压控制器 汽车级

NCV898031 非同步SEPIC /升压控制器 2 MHz

031是一款可调输出非同步2 MHz SEPIC / boost控制器,用于驱动外部N沟道MOSFET。该器件采用峰值电流模式控制和内部斜率补偿。该IC集成了一个内部稳压器,为栅极驱动器提供电荷。 保护功能包括内部设置软启动,欠压锁定,逐周期电流限制和热关断。 其他功能包括低静态电流睡眠模式和微处理器兼容使能引脚。 特性 优势 具有内部斜率补偿的峰值电流模式控制 宽输入电压和负载范围内的良好瞬态响应 1.2 V 2%参考电压 准确的电压调节 2 MHz固定频率操作 卓越的瞬态响应,较小尺寸的滤波元件,基频高于AM频段 宽输入电压范围3.2 V至40 V,45 V负载转储 适用于各种应用 输入Und ervoltage Lockout(UVLO) 禁用欠压条件下的启动 内部软启动 减少启动期间的浪涌电流 睡眠模式下的低静态电流 非常低的关闭状态电流消耗 逐周期电流限制保护 防止过电流情况 打嗝模式短路保护(SCP) 防止短路故障 热关断(TSD) 热保护IC 应用 终端产品 启动 - 停止系统 SEPIC(非反相降压 - 升压),升压,反激...
发表于 07-29 19:02 ? 331次 阅读
NCV898031 非同步SEPIC /升压控制器 2 MHz

NCV8851-1 汽车平均电流模式控制器

1-1是一款可调输出,同步降压控制器,可驱动双N沟道MOSFET,是大功率应用的理想选择。平均电流模式控制用于在宽输入电压和输出负载范围内实现非常快速的瞬态响应和严格调节。该IC集成了一个内部固定的6.0 V低压差线性稳压器(LDO),为开关模式电源(SMPS)底栅驱动器提供电荷,从而限制了过多栅极驱动的功率损耗。该IC设计用于在宽输入电压范围(4.5 V至40 V)下工作,并且能够在500 kHz下进行10至1次电压转换。其他控制器功能包括欠压锁定,内部软启动,低静态电流睡眠模式,可编程频率,SYNC功能,平均电流限制,逐周期过流保护和热关断。 特性 优势 平均电流模式控制 快速瞬态响应和简单的补偿器设计 0.8 V 2%参考电压 可编程输出电压的严格公差 4.5 V至40 V的宽输入电压范围 允许通过负载突降情况直接调节汽车电池 6.0 V低压差线性稳压器(LDO) 耗材栅极驱动器的内部电源 输入UVLO(欠压锁定) 在欠压条件下禁用启动 内部软启动 降低浪涌电流并避免启动时输出过冲 睡眠模式下1.0μA的最大静态电流 睡眠电流极低 自适应非重叠...
发表于 07-29 19:02 ? 410次 阅读
NCV8851-1 汽车平均电流模式控制器

NCP81149 具有SVID接口的单相电压调节器 适用于计算应用

49是一款单相同步降压稳压器,集成了功率MOSFET,可为新一代计算CPU提供高效,紧凑的电源管理解决方案。该器件能够在带SVID接口的可调输出上提供高达14A TDC的输出电流。在高达1.2MHz的高开关频率下工作,允许采用小尺寸电感器和电容器,同时由于采用高性能功率MOSFET的集成解决方案而保持高效率。具有来自输入电源和输出电压的前馈的电流模式RPM控制确保在宽操作条件下的稳定操作。 NCP81149采用QFN48 6x6mm封装。 特性 优势 4.5V至25V输入电压范围 针对超极本和笔记本应用进行了优化 支持11.5W和15W ULT平台 符合英特尔VR12.6和VR12.6 +规格 使用SVID接口调节输出电压 可编程DVID Feed - 支持快速DVID的前进 集成栅极驱动器和功率MOSFET 小外形设计 500kHz~1.2MHz开关频率 降低输出滤波器尺寸和成本 Feedforward Ope输入电源电压和输出电压的比例 快线瞬态响应和DVID转换 过流,过压/欠压和热保护 防止故障 应用 终端产品 工业应用 超极本应用程序 笔记本应用程序 集成POL U...
发表于 07-29 19:02 ? 146次 阅读
NCP81149 具有SVID接口的单相电压调节器 适用于计算应用

NCP81147 低压同步降压控制器

47是一款单相解决方案,具有差分相电流检测,同步输入,远程接地节能操作和栅极驱动器,可提供精确调节的电源。自适应非重叠栅极驱动和省电操作电路为服务器,笔记本和台式机系统提供低开关损耗和高效率解决方案。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。 NCP81147还具有软启动序列,精确的过压和过流保护,用于电源轨的UVLO和热关断。 特性 优势 内部高性能运算放大器 简化系统补偿 集成MOSFET驱动器 节省空间并简化设计 热关机保护 确保稳健的设计 过压和过流保护 确保稳健设计 省电模式 在轻载操作期间最大限度地提高效率 支持5.0 V至19 V输入 5.0 V至12 V操作 芯片使能功能通过OSC引脚 保证启动进入预充电负载 内部软启动/停止 振荡器频率范围为100 kHz至1000 kHz OCP准确度,锁定前的四次重入时间 无损耗差分电感电流检测 内部高精度电流感应放大器 20ns内部栅极驱动器的自适应FET非重叠时间 Vout从0.8V到3.3 V(5V,12V VCC) 热能补偿电流监测 ...
发表于 07-29 18:02 ? 450次 阅读
NCP81147 低压同步降压控制器

NCP5230 低压同步降压控制器

0是一款单相解决方案,具有差分相电流检测,同步输入,远程接地节能操作和栅极驱动器,可提供精确调节的电源。自适应非重叠栅极驱动和省电操作电路为服务器,笔记本和台式机系统提供低开关损耗和高效率解决方案。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。 NCP5230还具有软启动序列,精确的过压和过流保护,用于电源轨的UVLO和热关断。 特性 高性能误差放大器 >内部软启动/停止 0.5%内部电压精度,0.8 V基准电压 OCP精度,锁存前四次重入时间无损差分电感电流检测内部高精度电流检测放大器振荡器频率范围100 kHz 1000 kHz 20 ns自适应FET内部栅极驱动器非重叠时间 5.0 V至12 V操作支持1.5 V至19 V Vin Vout 0.8 V至3.3 V(具有12 VCC的5 V电压)通过OSC引脚实现芯片功能锁存过压保护(OVP)内部固定OCP阈值保证启动预充电负载 热补偿电流监控 Shutdow n保护集成MOSFET驱动器集成BOOST二极管,内部Rbst = 2.2 自动省电模式,最大限度地提高光效率负载运行同步功能远程地面传感这是一个无铅设备 应用 桌面和服务器系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 ? 305次 阅读
NCP5230 低压同步降压控制器

NCP1589L 同步降压控制器 低电压 轻负载效率和瞬态增强

9L是一款低成本PWM控制器,采用5 V或12 V电源供电。该器件能够产生低至0.8 V的输出电压,转换电压低至2.5 V.它易于操作,并提供最佳的集成度,以减小电源的尺寸和成本。它在斜坡脉冲调制模式下工作,可实现出色的负载阶跃和释放响应。除快速瞬态响应外,它还包括1.5 A栅极驱动器设计和轻载效率功能,如自适应非重叠电路和二极管仿真。它通常在连续电流导通模式下工作在200~500 kHz范围内,在轻负载时随电流减小,以进一步节省功耗。保护功能包括可编程过流保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 特性 VCC范围4.5 V至13.2 V 可调节工作频率升压引脚工作电压为35 V 斜坡脉冲调制控制精密0.8 V内部基准电压可调输出电压内部1.5 A栅极驱动器输入欠压锁定可编程电流限制轻载中的自适应二极管模式仿真这是一个无铅设备 应用 图形卡台式电脑服务器/网络 DSP& FPGA电源 DCDC稳压器模块 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 ? 163次 阅读
NCP1589L 同步降压控制器 低电压 轻负载效率和瞬态增强

NCP1589D 同步降压控制器

9D是一款低成本PWM控制器,采用5 V或12 V电源供电。该器件能够产生低至0.8 V的输出电压,转换电压低至2.5 V.它易于操作,并提供最佳的集成度,以减小电源的尺寸和成本。它在斜坡脉冲调制模式下工作,可实现出色的负载阶跃和释放响应。除快速瞬态响应外,它还包括1.5 A栅极驱动器设计和轻载效率功能,如自适应非重叠电路和二极管仿真。它通常在连续电流导通模式下工作在200~500 kHz范围内,在轻负载时随电流减小,以进一步节省功耗。保护功能包括可编程过流保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 特性 VCC范围4.5 V至13.2 V 可调节工作频率升压引脚工作电压为35 V 斜坡脉冲调制控制精密0.8 V内部基准电压可调节输出电压内部1.5 A栅极驱动器 80%最大占空比可编程电流限制轻载中的自适应二极管模式仿真这是一个无铅设备 应用 图形卡台式电脑服务器/网络 DSP& ; FPGA电源 DCDC稳压器模块 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 ? 187次 阅读
NCP1589D 同步降压控制器

NCP5212 单路同步降压控制器

2是一款用于高性能电池供电系统的同步降压控制器。它包括一个高效PWM控制器。提供引脚以允许两个器件进行交错操作。内部电源良好电压监视器跟踪SMPS输出。 NCP5212还具有软启动序列,用于Vcc和开关的UVLO,过压保护,过流保护,欠压保护和热关断。它打包在QFN-16中。 特性 准确率为0.8%; 0.8 V参考 4.5 V至27 V电池/适配器电压范围 可调输出电压范围:0.8 V至3.3 V 两个NCP5212设备之间的同步交错 轻载时省电运行的跳过模式 无损电感电流检测 可编程瞬态响应增强(TRE)控制 可编程自适应电压定位(AVP) 输入供应前馈控制 内部软启动 集成输出放电(SoftStop) 内置自适应栅极驱动器 PGOOD指示 过压,欠压和过载租金保障 热关机 应用 终端产品 笔记本电脑系统电源 笔记本电脑系统电源 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 ? 153次 阅读
NCP5212 单路同步降压控制器

NCP1579 低电压同步降压控制器

9是一款低成本PWM控制器,采用5V或12V电源供电。这些器件能够产生低至0.8V的输出电压。这些8引脚器件提供最佳集成度,以减小电源的尺寸和成本。 NCP1579提供1A栅极驱动器设计和内部设置的275kHz振荡器。栅极驱动器的其他效率增强特征包括自适应非重叠电路。 NCP1579还集成了外部补偿误差放大器和电容可编程软启动功能。保护功能包括可编程短路保护和欠压锁定。 特性 优势 输入电压范围4.5至13.2V 多功能性 电压模式PWM控制 易用性 0.8V +/- 2.0%内部参考电压 增强绩效 可调输出电压 多功能性 电容可编程软启动 易用性 内部1A门驱动器 增强性能 可编程电流限制 易用性 应用 终端产品 STB Blue-Ray DVD 液晶电视 DSP和FPGA电源 DC-DC稳压器模块 STB 蓝光DVD 液晶电视 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 ? 279次 阅读
NCP1579 低电压同步降压控制器

NCP1589A 低电压同步降压控制器

1589A或NCP1589B是一款低成本PWM控制器,设计采用5V或12V电源供电。该器件能够产生低至0.8V的输出电压。该器件能够将电压转换为低至2.5V。该10引脚器件提供最佳集成度,以减小电源的尺寸和成本。 特性 VCC范围从4.5到13.2V 升压引脚工作电压高达30V 电压模式PWM控制 精密0.8V内部参考 内部1.5A栅极驱动器 输入欠压锁定 可编程电流限制 应用 终端产品 图形卡 服务器/网络 图形卡 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 ? 180次 阅读
NCP1589A 低电压同步降压控制器

NCP3030 同步PWM控制器

0是一款PWM器件,设计用于宽输入范围,能够产生低至0.6 V的输出电压.NCP3030提供集成栅极驱动器和内部设置的1.2 MHz(NCP3030A)或2.4 MHz( NCP3030B)振荡器。 NCP3030还具有外部补偿跨导误差放大器,内置固定软启动。保护功能包括无损耗电流限制和短路保护,输出过压保护,输出欠压保护和输入欠压锁定。 NCP3030目前采用SOIC-8封装。 特性 优势 输入电压4.7 V至28 V 从不同输入电压源调节的能力 0.8 V +/- 1.5%参考电压 能够实现低输出电压 1200 kHz操作(NCP3020B - 2400 kHz) 高频操作允许使用小尺寸电感器和电容器 > 1A驱动能力 能够驱动低Rdson高效MOSFET 电流限制和短路保护 高级保护功能 输出过压和欠压检测 高级保护功能 具有外部补偿的跨导放大器 能够利用所有陶瓷输入和输出电容器 集成升压二极管 减少支持组件数量和成本 受管制的软启动 已结束软启动期间的环路调节可防止任何尖峰或下垂 AEC-Q100和PPAP兼容(NCV3030) 适用于汽车应用 应用 终端产品 ...
发表于 07-29 17:02 ? 211次 阅读
NCP3030 同步PWM控制器

NCP3012 同步PWM控制器

2是一款PWM器件,设计用于宽输入范围,能够产生低至0.8V的输出电压。 NCP3012提供集成栅极驱动器和内部设置的75kHz振荡器,能够与外部频率同步。 NCP3012具有外部补偿跨导误差放大器,内部固定软启动。 NCP3012将输出电压监控与电源良好引脚相结合,以指示系统处于稳压状态。双功能SYNC引脚使器件与更高频率(从模式)同步,或输出180度异相时钟信号以驱动另一个NCP3012(主模式)。保护功能包括无损耗电流限制和短路保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 NCP3012采用14引脚TSSOP封装。非常适合需要电源干扰最小的噪声敏感应用。 (医疗,网络等) 特性 优势 输入电压范围为4.7 V至28 V 能够运行各种输入电压 75 kHz操作 效率高 0.8 V +/- 1%参考电压 准确的系统调节 缓冲外部+1.25 V参考 附加调节1 mA输出以供额外使用 电流限制和短路保护 系统级保护 PowerGood输出引脚 电源排序功能 启用/禁用引脚 电源排序功能 输入和输出电压保护 增强的系统级保护 外部同步 能够同步到更高频率或180°异相 应用...
发表于 07-29 17:02 ? 200次 阅读
NCP3012 同步PWM控制器

NCP3011 同步PWM控制器

1是一款同步降压控制器,设计用于宽输入范围,能够产生低至0.8 V的输出电压.NCP3011提供1.0 A栅极驱动器和内部设置的400 kHz振荡器。 NCP3011具有外部补偿跨导误差放大器,内置固定软启动。 NCP3011将输出电压监控与PowerGood引脚相结合,以指示系统处于稳压状态。双功能SYNC引脚使器件与更高频率(从模式)同步,或输出180°异相时钟信号以驱动另一个NCP3011(主模式)。保护功能包括无损耗电流限制和短路保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 NCP3011采用14引脚TSSOP封装。 特性 优势 输入电压范围为4.7 V至28 V 能够运行各种输入电压 400 kHz运行 效率高,体积小 0.8 V +/- 1%参考电压 准确的系统调节 缓冲外部+1.25 V参考 附加1 mA输出 电流限制和短路保护 系统级保护 PowerGood输出引脚 电源排序功能 启用/禁用引脚 电源排序功能 输入和输出电压保护 增强系统级保护 外部同步 能够同步到更高频率或180°异相 符合AEC-Q100和PPAP(NCV3011) 适用于汽车应用 应用 终端产...
发表于 07-29 16:02 ? 183次 阅读
NCP3011 同步PWM控制器

NCP5217 单相同步降压控制器

7A是一款用于高性能电池供电系统的同步降压控制器。 NCP5217A包括一个高效PWM控制器。提供引脚以启用或禁用强制PWM操作模式。内部电源良好电压监视器跟踪SMPS输出。 NCP5217A还具有软启动序列,用于VCC和开关的UVLO,过压保护,过流保护,欠压保护和热关断。 IC封装在QFN-14中。 特性 0.8%准确度0.8 V参考 4.5 V至27 V电池/适配器电压范围 可选择省电模式/强制PWM模式 无损电感电流检测 可编程自适应电压定位(AVP) 输入供应前馈控制 内部软启动 集成输出放电(软停止) 内置自适应栅极驱动器 PGOOD指示 过压,欠压和过流保护 热关闭 应用 笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 16:02 ? 233次 阅读
NCP5217 单相同步降压控制器
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