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为什氮化镓(GaN)充电器可以做到更小?

Bellawu
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希望能得到解答,越详细越好,有图有真相,谢谢

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Neo_Qin
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Hi Bellawu,

这里我先引用一段来自《精通开关电源设计》中的开篇引言:

开关功率变换的原理与公交系统运行原理非常类似,不同之处在于运送的是能量。变换器连续不断的从输入源提取能量,通过“开关”(传统的硅基MOSFET或新型的第三代半导体器件GaN)将输入能量流分成若干能量包,再借助一些储能元件(电感或电容)运送,这些储能元件能够容纳这些能量包,并按需求在元件间彼此交换。

观察公交系统可以发现,一定时间内只能运送一定量的乘客(电气工程中,这对应“功率”)。要么用大型列车,发车间隔时间相对长些,要么用多列小型车,快速不断的运送。相对应的,我们希望开关电源一直工作在高频开关状态不足为奇,其主要目的是减小能量包的大小,从而减小存储、运送能量包所需的储能元件尺寸。

 

Neo_Qin_1-1670221549514.png

上图是基于英飞凌XDP2221+GaN构建的具有高达22.67W/inch3功率密度的140W USB-PD参考设计板,您可以轻易的从中获得以下直觉:储能元件,尤其是磁性元件占据了产品的绝大部分体积。

如果希望减小这部分的体积,提升开关频率是最直接的办法(每次开关周期需要处理的能量包相对较小)。不幸的是,半导体功率开关并非理想器件,导通电阻和寄生电容等关键参数影响了它在现实世界中的带宽。一般来说,传统的硅基MOSFET应用于<300kHz的场合,而最新的GaN方案甚至可以达到1MHz的水平,从而带来可观的功率密度提升,这正是GaN的魅力所在。

下图左侧,我们对比了充电器应用中的两款600V典型产品:CoolMOS™ C7_IPL60R065C7 vs CoolGaN™ _IGLD60R070D1, 在Rds相似的情况下,GaN具有低的多的寄生电容,这是提升开关频率的密码。

Neo_Qin_2-1670223610904.png

除了功率器件,各种创新的软开关拓扑也是提升功率密度是重要途径。英飞凌提供从多种主流软开关拓扑以适应不同的应用场景,其中,集成了PFC+HFB(非同步半桥)的混合式反激方案是其中的优秀代表。

更多信息,请访问英飞凌官网。以下是一些相关推荐:

USB-C and Power Delivery:

https://www.infineon.com/cms/en/product/universal-serial-bus-usb-power-delivery-controller/usb-c-and...

Power MOSFET:

https://www.infineon.com/cms/en/product/power/mosfet/

GaN HEMT – Gallium Nitride Transistor:

https://www.infineon.com/cms/en/product/power/gan-hemt-gallium-nitride-transistor/

PFC + hybrid flyback combo IC:

https://www.infineon.com/cms/en/product/power/ac-dc-power-conversion/ac-dc-pwm-pfc-controller/digita...

Regards,

Neo

 

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Neo_Qin
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Hi Bellawu,

这里我先引用一段来自《精通开关电源设计》中的开篇引言:

开关功率变换的原理与公交系统运行原理非常类似,不同之处在于运送的是能量。变换器连续不断的从输入源提取能量,通过“开关”(传统的硅基MOSFET或新型的第三代半导体器件GaN)将输入能量流分成若干能量包,再借助一些储能元件(电感或电容)运送,这些储能元件能够容纳这些能量包,并按需求在元件间彼此交换。

观察公交系统可以发现,一定时间内只能运送一定量的乘客(电气工程中,这对应“功率”)。要么用大型列车,发车间隔时间相对长些,要么用多列小型车,快速不断的运送。相对应的,我们希望开关电源一直工作在高频开关状态不足为奇,其主要目的是减小能量包的大小,从而减小存储、运送能量包所需的储能元件尺寸。

 

Neo_Qin_1-1670221549514.png

上图是基于英飞凌XDP2221+GaN构建的具有高达22.67W/inch3功率密度的140W USB-PD参考设计板,您可以轻易的从中获得以下直觉:储能元件,尤其是磁性元件占据了产品的绝大部分体积。

如果希望减小这部分的体积,提升开关频率是最直接的办法(每次开关周期需要处理的能量包相对较小)。不幸的是,半导体功率开关并非理想器件,导通电阻和寄生电容等关键参数影响了它在现实世界中的带宽。一般来说,传统的硅基MOSFET应用于<300kHz的场合,而最新的GaN方案甚至可以达到1MHz的水平,从而带来可观的功率密度提升,这正是GaN的魅力所在。

下图左侧,我们对比了充电器应用中的两款600V典型产品:CoolMOS™ C7_IPL60R065C7 vs CoolGaN™ _IGLD60R070D1, 在Rds相似的情况下,GaN具有低的多的寄生电容,这是提升开关频率的密码。

Neo_Qin_2-1670223610904.png

除了功率器件,各种创新的软开关拓扑也是提升功率密度是重要途径。英飞凌提供从多种主流软开关拓扑以适应不同的应用场景,其中,集成了PFC+HFB(非同步半桥)的混合式反激方案是其中的优秀代表。

更多信息,请访问英飞凌官网。以下是一些相关推荐:

USB-C and Power Delivery:

https://www.infineon.com/cms/en/product/universal-serial-bus-usb-power-delivery-controller/usb-c-and...

Power MOSFET:

https://www.infineon.com/cms/en/product/power/mosfet/

GaN HEMT – Gallium Nitride Transistor:

https://www.infineon.com/cms/en/product/power/gan-hemt-gallium-nitride-transistor/

PFC + hybrid flyback combo IC:

https://www.infineon.com/cms/en/product/power/ac-dc-power-conversion/ac-dc-pwm-pfc-controller/digita...

Regards,

Neo