前言
近日,Power Integrations(PI)舉辦新品媒體線上溝通會,公司資深技術培訓經理 Jason Yan 介紹了即将在美國 APEC 展(國際電力電子應用展)上發布的一款重要新品—— 900V PowiGaN 氮化镓(GaN)産品。
據了解 PI 之前有 650V、725V、900V 矽器件,後來發布的氮化镓器件耐壓爲 750V。PI 現在把矽器件 900V 耐壓産品的性能延續到了氮化镓産品當中,以應用在汽車、工業及家電類應用市場。
汽車、工業、及家電類應用的市場驅動力
目前汽車、工業及家電類應用市場的市場驅動力主要來自三方面。
首先是日益增加的功率需求。随着電腦、家電、工業類應用的發展,微處理器的處理能力不斷提高,功耗也明顯增加;在一些 IOT(物聯網)應用,也就是我們所熟知的智能家居,要求具備無線通信功能才能實現萬物互聯效果;而越來越多的家電像大型冰箱增加了觸摸屏和照明功能;市場中還有某些應用其峰值功率的需求也在不斷增加;再有就是現在電動汽車的趨勢是去掉 12V 蓄電池,這種種迹象表明我們對輔助供電電源的功率需求與日俱增。
其次是負載範圍内更高的效率需求。在很多家電應用當中,需要滿足總能耗的指标要求。家電等大型設備并不總是工作于滿載工作模式。設備在輕載和中度負載條件下的效率對于滿足總能耗要求至關重要。此外,客戶也有不斷增加的對電源産品小型化的追求,這就需要設計當中必須做到散熱的簡化。這些應用當中的輔助供電電源需要能在負載範圍内能提供更高的效率和更高的待機輸出功率,同時具備更小的系統尺寸。
最後就是不斷升高的供電電壓需求。電動汽車架構已經從 400V 的母線切換到 800V,内部輔助供電單元的輸入電壓及所用功率開關管的耐壓都需要有相應的提高;而對于室外照明的應用,越來越多的設計也需要由三相電供電;世界上還有一些地區的電網供電電壓極其不穩定,這些都需要有相應的耐壓更高的電源變換 IC 産品來滿足此類惡劣用電環境的應用。
以上三方面的市場驅動力驅使 PI 開發出更高功率、更高耐壓的氮化镓産品,于是 900V(GaN)氮化镓産品應運而生。
具有獨特優勢的 InnoSwitc3産品——高度集成的反激方案
PI 之前開發了高度集成的反激方案 InnoSwitch3,其架構具有獨特的優勢。
它可以在單一封裝中同時集成初級和次級電路,而初次級之間通過快速的數字隔離方式 FluxLink (磁感耦合)進行信息溝通,可以将次級的電壓電流信号傳到初級控制器,由控制器決定開關狀态,最終實現穩定的輸出電壓或電流;
由于在次級側集成了同步整流驅動,效率高達 95%;并且采用的是一種數字反饋方式,控制器本身的功耗比傳統的 PWM 控制方式更低。這種控制方式可以将空載功耗做到小于 10mW;此外基于 PI 獨有的封裝研發能力,其功率器件散熱更佳,哪怕在高達 100W 的應用當中也可以不使用散熱片。
初級功率開關的優化:Si,Gan 及 SiC
初級功率開關一般都會根據不同輸入電壓選擇不同材料的器件,PI 現有系列産品有三類材料。一類是矽開關,目前有 650V、725V 和 900V。不同耐壓的矽器件針對不同的 VDS 耐壓需求;另一類是氮化镓器件,目前 PI 已經發布的氮化镓器件是 750V,用于功率比較大的應用;還有一類是碳化矽(SiC),其耐壓達 1700V,可以耐受更高的母線電壓。
不同的耐壓可以應對不同輸入電壓的應用。由于變壓器漏感的影響,功率開關管一般需要留有 10% 的電壓降額。如果考慮到雷擊、噪聲等影響,甚至需要把降額增加到 20%。所以工程師需要根據不同的裕量、不同的工況或者不同降額大小的要求來選用不同的初級功率開關管。
目前在工業類或某些汽車應用中,比如 EPS(應急電源)應用,使用 SiC 的功率開關其耐壓可以做到 1700V。在汽車應用當中需要滿足 AEC-Q100 車規認證要求。其中 PI 的 900V 矽器件、750V 氮化镓,1700V SiC 都通過了 AEC-Q100 認證。對于其它的工業類應用,可以使用高耐壓非車規的一些型号,例如 725V、900V 的矽器件,750V 的氮化镓,1700V 的 SiC 器件。
PI 目前推出的 900V 耐壓 GaN 增加了電壓裕量,增強了産品和耐用性。将耐壓從原來的 750V 增加到 900V。在 IC 封裝不變的情況下,與矽器件相比效率更高,功率也更大。
該産品擴展了電壓範圍,同時提升了效率。對于反激的輔助電源應用來講,随着母線電壓的增高,開關損耗就會相應增加,效率就會越低。對于 650V 或 725V 的矽器件,難以應對更高母線電壓的應用。而如果将矽器件的耐壓擡高之後,由于其過大的晶圓面積,又對封裝提出了更高的要求,無法達到所需的更高的功率輸出能力。
從效率與輸入電壓的關系曲線中可以看到,在 400VDC 輸入情況下,采用 900V 氮化镓的效率相比其他器件改善了 1.5 個百分點,這意味着熱量(功率損耗)減少了 20%,有助于縮小電源體積以及 PCB 的尺寸,從而實現更小體積、更高功率密度的設計。
寬禁帶器件具備結溫更小、溫升更低的優勢。60W 電源的溫升測試表明,在 400VDC 輸入情況下,與 725V 矽開關相比,1700V 碳化矽溫升從 100 ℃降到了 89 ℃。如果采用 900V 的氮化镓開關,溫升則會降到 78 ℃。盡管效率提升隻有 1.5 個百分點,但溫升改善達 20 ℃,這對環境溫度比較高的汽車類應用尤其重要。
利用 InnoSwitch3-AQ 簡化 EV 功率架構
InnoSwitch3 除了在很多工業類應用中使用,也可以用于汽車應用。
EV 仍然在使用鉛酸電池
電動汽車的功率架構與燃油汽車不同,但都會有一個 12V 鉛酸蓄電池。盡管電動汽車中有 400 或 800V 高壓動力電池,但鉛酸蓄電池仍然在電動汽車當中爲 12V 的低壓負載進行供電。目前的電動汽車當汽車停止使用時,其告警、通訊及其它待機負載仍由此外接的低壓蓄電池供電。
集成充電控制單元中的 DC-DC 高壓之後有高壓功率配電模組 PDM,給 AC 壓縮機或客艙加熱供電。後面的高壓電池組就是動力電池,需要有電池管理系統(BMS)。此外,還有引擎控制單元、保險絲、接觸器、熱管理等,以在故障情況下将動力電池和牽引逆變器斷開,防止在撞車或故障情況下高壓對人身安全産生危險。高壓功率模組給高壓電池充電,然後提供給逆變器以驅動電機和車輪。
12V 電池的消除有利于減小重量、空間、成本、降低維護要求
而電動汽車中的 12V 電池并不會像在燃油車當中一樣,需要提供瞬間的汽車啓動電流。實際上,電動車中的 12V 鉛酸蓄電池可以被縮小,甚至可以完全被去掉。此時,就可使用多個 InnoSwitch3-AQ 組成的電源爲低壓負載供電,而采用 900V 耐壓氮化镓的單個 InnoSwitch3-AQ 的輸出功率可達 100W。可以更好支持了未來 12V 電池體積縮小以及消除的新的汽車功率架構的應用。
另外,汽車當中往往還需要一個 60W 至 100W 輸出的待機電源。其主要作用是在汽車停止期間以更高的效率給低壓 12V 負載供電,延長整車的待機時長。該電源的輸入來自于高壓的動力母線電池。
根據不同電動汽車的功率架構,轉向助力的供電往往來自于 12V 的低壓,但轉向助力是有峰值功率要求的。這樣就需要有多個 APU 并聯爲 12V 低壓負載供電,提供足夠的功率冗餘。進而可以去掉或縮小原來的 12V 鉛酸蓄電池。
電動汽車功率架構改進的另一個發展趨勢就是,既然轉向助力有峰值功率要求,目前一些車企正在考慮不用 12V 供電,而由高壓動力母線電池來供電。這樣就将很大一部分低壓負載的功率轉移到高壓負載,從而降低了對 APU 的使用需求。
采用高效 GaN 的 100W 汽車用 EPS
PI 的高效氮化镓 100W 汽車用 EPS 電源元件數目很少,大概在 80 個左右,高度也非常薄。在汽車應用中,多一個器件可能增加不了多少成本,但工程師在驗證系統安全性時則需要花大量的時間做大量實驗,以保證每個器件在出現失效時汽車是安全的。PI 的這個低元件數方案可極大地縮減電動汽車的測試認證時間,同時還可大幅度提升電源的可靠性。
經過測試,當 EPS 輸入爲 30 到 500Vdc,輸出 13.6V/6.5A,50% 以上負載條件下效率大于 93%,10% 負載以上時,效率仍然能夠大于 85%(一般采用 PSR 工作的 EPS 方案爲 70% 左右),這也是 PI 高效同步整流的效果。另外,該産品采用 FluxLink 方式能夠滿足加強絕緣要求,而且次級穩壓方案穩壓精度非常高,可以省掉後面的 DC-DC。
所以,無論是溫升、元件數目還是可靠性方面,采用高效 GaN 的方案都會有大幅改善。
未來,PI 很多産品都會逐步采用氮化镓。900V 耐壓氮化镓的推出增加了輸出功率,同時也改善了設計裕量,可以使 400VDC 母線汽車系統更加安全。該産品也适合輸入電壓範圍非常寬泛的三相供電服務器類輔助電源以及輸入電壓更高的路燈照明等工業類供電應用。而 PI 已經推出的 1700V 耐壓的碳化矽器件,則可以用于滿足 800V 汽車母線和更高三相工業電壓供電的應用。
總結
從發展趨勢看,GaN 技術能夠以更低的成本實現相對較高的效率。PI 的多種方案可以說是量身定做的,即針對不同的功率變換應用選取不同的功率開關。舉例來說,假設應用當中功率開關流過的電流比較小,GaN 的低導通損耗優勢就發揮不出來,這時就可以使用矽開關作爲最佳方案。
而随着使用功率的增加,PI 采用氮化镓開關的方案在設計上也不需要使用者有什麽特别的考量,使用者唯一能體會到的就是溫升更低,功率更大,效率更高,非常容易進行切換。多樣化的功率開關産品可以适應不同的應用環境,産品細分的好處就是可以成本和性能之間做出最佳選擇。