White paper Gallium Nitride (GaN) in wireless power applications - Chinese

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均吕
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白皮书 GaN 增强型 HEMT 在无线功率传输中的优势磁共振 D 类和 E 类射频功率放大器中的 GaN 功率器件摘要便携式设备的无线充电意味着无需使用传统的适配器 / 充电器及其相关的电缆和连接器虽然这项技术已经存在了一段时间, 并且市场上也出现了支持无线充电的智能手机, 但直到最近才推出了具有此功能的平板电脑和笔记本电脑预计在未来几年内, 它将被广泛采用于各种应用本文在根据

1 白皮书 GaN 增强型 HEMT 在无线功率传输中的优势磁共振 D 类和 E 类射频功率放大器中的 GaN 功率器件摘要便携式设备的无线充电意味着无需使用传统的适配器 / 充电器及其相关的电缆和连接器虽然这项技术已经存在了一段时间, 并且市场上也出现了支持无线充电的智能手机, 但直到最近才推出了具有此功能的平板电脑和笔记本电脑预计在未来几年内, 它将被广泛采用于各种应用本文在根据 AirFuel Alliance 基准规范提出的两种用于无线功率传输的功率放大器拓扑中, 论证了氮化镓 (GaN) 增强型 (e-mode) HEMT 器件在这两种拓扑中优于 MOSFET 的优势作者 Milko Paolucci, 英飞凌科技股份公司消费与工业无线充电应用工程师 Peter Green, 英飞凌科技美洲公司可再生能源应用经理请阅读本文档末尾的重要通知和警告

2 目录 1 磁共振无线充电介绍氮化镓相较于硅技术 3 2 D 类功率放大器拓扑概述 D 类 ZVS 转换 D 类中 GaN 的优点硅与 GaN 的比较 7 3 E 类功率放大器拓扑概述 E 类中 GaN 的优点 8 4 总结降低栅极电荷损耗体二极管损耗反向恢复 GaN 器件 : 良好实践驱动电压精度栅极电流器件面积

1 磁共振无线充电介绍目前, 无线充电领域中最常用的标准便是采用电磁感应技术的 (Qi) 无线充电标准采用 Qi 标准的无线充电系统主要是基于电磁感应, 使用的电磁感应耦合频率范围为 100kHz 到 300kHz 这种系统只能对单个设备进行充电, 而且要将设备以特定方向放置并与充电器保持非常近的距离随着消费和工业市场对无线功率传输的应用日益关注,

3 1 磁共振无线充电介绍目前, 无线充电领域中最常用的标准便是采用电磁感应技术的 (Qi) 无线充电标准采用 Qi 标准的无线充电系统主要是基于电磁感应, 使用的电磁感应耦合频率范围为 100kHz 到 300kHz 这种系统只能对单个设备进行充电, 而且要将设备以特定方向放置并与充电器保持非常近的距离随着消费和工业市场对无线功率传输的应用日益关注, 想要充分利用谐振耦合优势的功率转换设计师便开始将目标转向磁共振 D 类和 E 类逆变器拓扑等的各种替代实施方案这些拓扑并非新发明, 它们已经在射频 (RF) 应用中得到了成功的应用, 广泛使用的术语名称为放大器在无线充电系统的发射器部分中采用的这些拓扑的主要优势 ( 如图 1 所示 ) 是在 1-10MHz 范围内的工作频率下可实现高效率 AirFuel Alliance( 成立于 2015 年 ) 提出在 ISM( 工业 - 科学 - 医疗 ) 频段中使用 6.78 MH 频率切换的方法, 其中高 Q 系数谐振器能够利用外围区域中较弱的磁场在更大的距离内进行功率传输, 以便为放置于任何方向的多个设备进行充电法拉第定律指出, 当线圈中的磁通量发生变化时, 线圈中就会产生感应电动势在无线功率传输中, 射频功率放大器驱动由调谐电路中的线圈组成的功率发射单元 (PTU), 以产生变化的磁通量由调谐至相同频率的电路中的线圈组成的功率接收单元 (PRU) 横切磁场, 从而产生电压这个电压取决于磁通量的变化率和匝数来自接收线圈的输出被整流并转换成便携式设备所需的电平耦合取决于两个线圈的紧密程度, 由耦合系数 k 定义小于 0.5 的 k 表示磁共振耦合使用的松散耦合系统图 1 显示了 PTU 和 PRU 的系统块具有蓝牙通信功能的微控制器 ( 根据 AirFuel 标准, 也可进行带内通信 ) 用于请求和调节被充电设备所需的功率传输量图 1 无线功率传输系统模块 1.1 氮化镓相较于硅技术与硅技术相比, 氮化镓 (GaN) 技术比较新然而, 它的优点已经在射频系统中得到了证明, 并且由于品质因数 (FOM) 得到了显著改善, 它现在引起了许多电源应用的关注 3

4 图 2 氮化镓 ( 灰色 ) 和硅技术 ( 不同的供应商 ; 绿色, 粉色, 天蓝色 ) 之间的 FOM 比较图 2 显示了与来自不同供应商的现有硅技术相比,GaN 技术的先进之处对数标度有助于理解 GaN 技术提供的量子跃迁, 几乎是所有 FOMs 的一个数量级 4

5 2 D 类功率放大器 2.1 拓扑概述图 3 显示了 D 类功率放大器简化示意图, 它非常类似于将直流输入转换为交流输出的逆变器图 3 D 类功率放大器简化示意图为了理解 D 类功能, 可以将示意图分为两个主要模块 : 1. 开关 : 它们将创建一个具有 V IN 振幅的矩形周期波形 2. 滤波器 :LC 滤波器将产生正弦波形, 尽可能地消除谐波, 频率与输入的平方波形相同 LC 谐振器的进一步操作是阻断直流电压, 因此在负载范围内, 零电平周围只有一个交流信号鉴于这种简单的理解, 考虑到滤波器的一次谐波给出的正弦电流, 可以很容易地计算出负载两端的电压在谐振频率下,LC 阻抗为零考虑到一次谐波, 负载时的输出电压 ( 峰值到峰值 ) 将为 : V OUTpeak = V IN 2 π 因此输出功率为 : V OUTrms = 2V IN π 等式 1 P OUT = V OUTrms 2 R LOAD 等式 2 在无线充电发射器的设计阶段, 发射线圈的输出功率通常是输入之一 ( 此处用 P OUT 表示 ), 同时输入电压是设计参数之一根据等式 3 提供的方法, 一旦输出功率已知, 就可以确定达到该功率所需的输入电压 ( 假设效率为 100%) V IN = ( π 2 P OUTR LOAD ) 等式 3 5

6 2.1.1 D 类 ZVS 转换通常, 由于发射天线不能进行高电流操作 ( 发射天线的典型电流在 1-2A 范围内 ), 为了能够传输大功率, 必须使用相对高的输入电压 (50-100V) 因此, 高电压和高开关频率的组合需要 ZVS 操作实现 ZVS 最常见的一种方法是使用额外的串联 LC 网络, 创建一个高于输出电容在死区时间内充放电从而使电压从 VIN 到 0 的三角形电流由于工作频率为 6.78 MHz,D 类拓扑在 ZVS 换向产生的损耗可能非常高, 导致效率低下这也取决于输入电压图 4 采用 ZVS 网络的 D 类模拟示意图为了保证 ZVS 操作, 以这种方式产生的电流必须确保在死区时间到期之前开关管的输出电容充放电到 VIN 或者 0( 图 4 中的 V SW) 这里给出了 D 类拓扑的以下设计规则 : T COM = Q OSS I 等式 4 其中,Q OSS 是在输入电压下评估的开关输出电荷, I 是 ZVS 网络 (L ZVS + C ZVS) 生成的纹波电流由等式 4 可知, 开关管的输出电荷越低, 在同样充放电时间内所需的 ZVS 纹波电流就越低, 由 ZVS 电流产生的功耗也就低与 ZVS 网络相关的功率损耗是主要损耗 ( 参见模拟结果 ) 它们的计算方法如下所示 : P ZVS = I ZVS_RMS 2 ESR ZVS 等式 5 其中,I ZVS_RMS 是通过 ZVS 网络的 RMS 电流, 而 ESR ZVS 是 ZVS 网络的寄生等效电阻, 主要集中在 ZVS 电感器中 6

7 ZVS 操作取决于负载的电阻性, 这需要包括合适的阻抗匹配网络系统将 ZVS 操作保持在一组定义的转角阻抗值内, 称为阻抗盒在非 ZVS 的情况下, 使用低 Q GD 开关, 产生的损耗更小 2.2 D 类中 GaN 的优点在系统级, 损耗的最大来源是 ZVS 电感器的直流电阻和插入 ZVS 路径的其他电阻, 占 50% 以上一旦选择了 ZVS 电感器, 这些损耗就与纹波电流有关, 因此也与 Q OSS 器件参数有关降低 Q OSS 可以大大改善损耗其余的损耗平均分布在上部开关和下部开关之间, 因为该拓扑结构以 50% 的占空比工作在器件级, 损耗的最大来源是栅极电荷 (Q G), 因此, 必须选择具有较低栅极电荷的器件, 这样可以降低驱动电压, 从而进一步降低驱动损耗上述模拟是在纯电阻负载下进行的, 但是无法在所有工作条件下都能确保 ZVS, 所以要考虑开关损耗在这种情况下, 选择较低的 Q GD 可以避免过度损耗硅与 GaN 的比较可以模拟一个具备 ZVS 网络的 D 类拓扑来检查性能 ( 基于器件模型 ), 并查看使用 GaN 技术取代硅的预期改善情况图 5 GaN 和硅解决方案之间的损耗比较如图 5 所示, 硅和 GaN 之间功率损耗的降低幅度在 30% 左右模拟是以相同的死区时间运行的, 但是优化死区时间可以进一步降低 GaN 的损耗 ; 例如将死区时间减半时, 损耗也将减半同样值得注意的是, GaN 解决方案的器件面积是原来的一半, 因此增加的功率密度是原来的两倍多 7

8 3 E 类功率放大器 3.1 拓扑概述单端 E 类 RF 功率放大器拓扑包括一个 RF 电感器 L1, 其向开关 FET Q1 提供近似的直流电流谐振电路和负载 Q1 开关频率为 6.78 MHz, 占空比固定为 50% 当电路调谐到相同频率时, 漏极处出现半正弦电压, 其峰值是直流输入电压 (V IN) 的 3.56 倍, 并在下一个开关周期开始之前回落到零, 因此以零电压开关 (ZVS) 进行操作为了实现这一点, 负载阻抗必须是纯电阻在功率放大器和发射谐振器之间设置阻抗匹配网络, 用于抵消所有电抗元件图 6 单端 E 类放大器主电路元件 L2 C1 和 C2 的值根据两个开关状态的谐振频率确定的当开关断开时,C1 与 Q1 的漏极 - 源极电容并联, 和 C2,L2 组成较高的谐振频率当开关 Q1 导通时, 较低的谐振频率仅由 L2 和 C2 决定对于 ZVS 操作, 开关频率必须介于较高和较低谐振频率之间, 并且较低谐振频率的半个周期和较高谐振频率的半个周期之和必须约等于开关频率的周期如果电路谐振频率大于开关频率, 则漏极电压会达到更高的峰值, 最高可达 V IN 的 7 倍, 并且在下一个开关周期开始前会降至零, 从而在中间时段内发生体二极管导通另一方面, 如果电路谐振频率低于开关频率, 则在下一个开关周期开始时, 漏极电压不会为零这样会在 6.78MHz 时产生非常高的损耗为了确保高功率放大器的效率, 必须正确调谐电路, 而且输出电流不应太高, 否则会产生 L2 中的功率损耗, 原因是在 6.78MHz 时显著的集肤效应导致的传导损耗和涡流损耗然后, 应设计 PRU 和阻抗匹配网络, 以便为功率放大器负载开发高 Z TX_IN 3.2 E 类中 GaN 的优点 16W E 类功率放大器测试使用的是 200 V,125 mω OptiMOS 3 开关,BSC12DN20NS3 为了评估功率放大器的性能和效率, 使用了电阻性负载, 并在 25 Ω 15 Ω 和 5 Ω 下进行了测量每种情况下的效率测量为 91%-92% 25 Ω 的工作波形如下所示 : 8

图 7 采用硅 MOSFET 的单端 E 类放大器工作波形红色线表示漏极电压波形观察到该形状不是纯半正弦波, 在较低电压下显示出扩散特性, 阻止它在下一个开关周期之前一直下降到零, 从而导致一些硬开关这种效应是由 MOSFET C OSS 对电路中较高的谐振频率的影响导致的在硅 MOSFETs 中,C OSS 在较低电压下会显著增加, 从而造成这种失真虽然电路能

9 图 7 采用硅 MOSFET 的单端 E 类放大器工作波形红色线表示漏极电压波形观察到该形状不是纯半正弦波, 在较低电压下显示出扩散特性, 阻止它在下一个开关周期之前一直下降到零, 从而导致一些硬开关这种效应是由 MOSFET C OSS 对电路中较高的谐振频率的影响导致的在硅 MOSFETs 中,C OSS 在较低电压下会显著增加, 从而造成这种失真虽然电路能够以可接受的效率工作, 而且少量的硬开关造成的开关损耗不高, 但这仍然是一个问题必须重新调谐电路, 以产生更高的峰值电压, 降低功率放大器可以工作的最大功率容量和输出阻抗范围, 使其不会达到 MOSFET 雪崩额定值 BV DSS 还在同一电路中测试了具有相同 BV DSS 和 R DS(on) 额定值的 GaN HEMT 下图比较了以对数标度绘制的两个功率开关的 C OSS, 显示在 GaN 器件中, 虽然在一半 BV DSS 的 V DS 时引用的值非常相似, 但是增加要小得多可以看出基于 GaN 的漏极波形比 MOSFET 示例中的波形正弦性更好硬开关不存在, 峰值电压等于 V IN 的 3.56 倍, 表明电路处于最佳的理论运行状态这使得操作范围变得更广此外, 在实践中, 电路更容易调谐并且公差和温度也容易造成漂移很明显,GaN 使 E 类电路能够以硅不具备的最佳方式工作, 从而提高了效率并能够支持更大的负载阻抗范围 9

10 图 8 硅和 GaN HEMT 的 C OSS 和 V DS 图 9 采用 GaN HEMT 的单端 E 类放大器工作波形 10

11 4 总结 GaN 器件在无线功率传输中应用于上述两种拓扑的优点总结如下 : 4.1 降低栅极驱动损耗 GaN 器件的栅极驱动电压通常为 5V, 而标准的硅 MOSFETs 通常为 10V 左右 GaN 器件的栅极电荷 (Q G) 大约是 MOSFET 或类似的 R DS(on) 和 V BRR 的五分之一, 这样可以明显降低栅极驱动电流并且大大减少栅极驱动器 IC 的损耗为了最小化栅极电荷损耗, 不仅要选择较低的 Q G, 而且还要使用低栅极阈值电压的器件技术, 让设计者可以使用较低的驱动电压, 从而减少与驱动电路相关的总损耗栅极驱动损耗计算方法如下所示 : P GATE = (Q G_SYNC f SW V dr ) 等式 6 其中,Q G_SYNC 是 V dr 电压时的栅极电荷, 没有 Q GD( 因为假设是 ZVS 转换 ),f SW 是开关频率,V dr 是驱动电压 4.2 体二极管损耗虽然 GaN HEMT 器件没有像 MOSFET 那样的实际体二极管, 但它们却拥有类似二极管的功能系统损耗的另一个重要来源是体二极管正向电压, 实际上这种损耗在 GaN 器件中更高 ZVS 换向在接通时会发生损耗, 如果选择长的死区时间, 则可能变得相对较高为了获得 GaN 的最佳性能, 应减少死区时间以避免体二极管导通 P DT = (V SD I OUT f SW T DT ) 等式 7 在评估体二极管损耗时, 重要的是要计算出正确的 V SD 值, 该值会随着电流和温度的变化而变化反向恢复另一个难以量化的损耗来源是在死区时间内与体二极管导通相关的反向恢复电荷 (Q RR) 由于 GaN 器件的结构中没有实际的体二极管结构, 所以它们的 Q RR 为零难以量化这些损耗的原因主要是由于 Q RR 高度依赖以下操作条件 : 二极管的正向电流 di/dt 反向电压和温度器件数据表中提供的值仅供设计人员参考, 它们是在特定条件下测得的, 在实际应用中可能毫无相关性然而, 由于在磁共振功率传输中使用了相对较高的开关频率, 很明显, 较低的 Q RR 将产生较低的损耗唯一的问题是这些损耗的相对重要性, 因为此应用中的工作电流和工作 Q RR 都不高 11

12 4.3 GaN 器件 : 良好实践在上一段中已经解释了 GaN 技术可提高系统整体效率的多种机会然而, 这有其相应的影响因此, 在系统设计过程中需要考虑 GaN 技术的某些属性驱动电压精度如数据表中所述,MOSFET 的 V GS 绝对最大额定值通常为 +/- 20V 这为设计者提供了一些保持驱动级的电压调节器相对简单和便宜的自由度但是 GaN 的情况却并非如此绝对最大额定值限制在 5 V- 6 V 左右, 这主要是因为栅极结构的二极管特性如果在运行过程中栅极源电压超过该极限, 会出现的最坏情况是可能对器件造成严重损坏, 最好的情况则是缩短器件寿命因此, 必须非常小心地设计用于产生驱动电压的电压调节器, 因为适用于硅的解决方案可能不适合 GaN 将栅极源电压保持在绝对最大额定值以下的能力所造成的难度不仅与驱动电压调节器精度有关, 而且还与死区时间内的操作以及 D 类实现中用于驱动上部开关的自举电容器的再充电有关在死区时间操作期间, 自举电容器通过下部开关的体二极管进行再充电对于 GaN 器件, 具有高正向电压的体二极管为启动电容器提供额外的电荷, 这可能会超过峰值和稳态值, 即器件的绝对最大额定值这种过度充电取决于许多参数 ( 即, 启动二极管正向电压漏源二极管正向电压死区时间温度 ), 必须仔细评估这些参数栅极电流与通过栅极氧化物隔离器驱动栅极控制的硅基产品不同,GaN 器件的栅极连接采用的是肖特基 (Schottky) 势垒的形式因此, 栅极的漏电流不在 na 范围内, 而在 ma 范围内这需要仔细选择栅极驱动电压和器件器件面积如前一段所述,GaN 技术通过低 R DS(ON) x 面积数字, 提供更大的功率密度这与电子气 (2DEG) 的高导电性有关对于想要提高应用功耗密度的设计人员来说, 这是一个非常有吸引力的特性, 但它也带来了一定的挑战面积较小的事实意味着散发器件内耗散功率的接触面积也比较小在布局阶段, 器件和 PCB 之间的电源连接的设计将更具挑战性, 并且器件的热电阻可能受损由于最重要的热电阻是与环境的连接处, 而这主要取决于 PCB 特性, 因此封装尺寸较小的 GaN 器件不应产生过多的附加热电阻无论如何, 在 PCB 设计过程中都应特别小心, 以减少这种热电阻, 因为 GaN 的面积较小, 可能会部分抵消该技术的优势有关英飞凌 CoolGaN 开关和专用氮化镓 EiceDRIVER 产品的组合信息, 请访问和

13 发布方 : 英飞凌科技股份公司 Neubiberg, Germany 2018 Infineon Technologies AG 保留所有权利请注意! 本文档仅用于提供信息之目的, 在任何情况下, 不得将本文档中提供的任何信息视为针对特定目的提供功能条件和 / 或产品质量以及适用性的担保保证或表述有关产品的技术规格, 请您参阅我们提供的相关产品数据表客户及其技术部门需针对特定应用评估产品的适用性我们始终保留随时对文档和 / 或给出信息进行修改的权利其他信息若需获得有关技术产品产品应用交付条款与条件和 / 或价格的更多信息, 请联系距离您最近的英飞凌办事处 ( 警告由于技术要求, 产品可能包含有害物质若需了解相关物质的类型, 请联系距离您最近的英飞凌办事处除非另由英飞凌授权代表经书面形式明确批准, 否则不得将产品用于任何可造成人身危险的应用, 包括但不限于医疗核能军事和生命攸关的应用, 或者其他因产品失效或使用而造成的个人伤害情况的应用订购编号 :B152-I0739-V1-5D00-AP-EC 日期 :11/2018

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egan FET 昂首阔步前进采用氮化镓场效应晶体管 (egan FET) 的无线电源传送解决方案宜普电源转换公司 www.epc-co.com.cn 1 议题无线电源拓扑概述每种拓扑所取得的无线电源结果总结 www.epc-co.com.cn 2 概述输出功率 < 30 W 松散耦合根据 A4WP 标准的 6.78 MHz(ISM 频带 ) 探讨不同的拓扑 : D 类放大器 ( 电流及电压模式