想提高高壓LED照明中的效率和功率密度？上GaN技術(shù)！

文章 概述

本文介紹了 寬帶隙（ GaN ）技術(shù)在高壓 LED照明 中的應(yīng)用，以及如何解決效率和功率密度挑戰(zhàn)。文章重點(diǎn)討論了利用GaN技術(shù)的LED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)的降壓部分，展示了如何通過(guò)寬帶隙技術(shù)提高效率和功率密度。文中還介紹了STMicroelectronics的MasterGaN系列，該系列將高電壓智能功率BCD工藝柵極驅(qū)動(dòng)器與高電壓GaN晶體管結(jié)合，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)并提高了功率密度。

事實(shí)證明， 高壓LED照明可以有效地取代高強(qiáng)度放電 (HID) 照明等先前技術(shù)。隨著高壓 LED照明得到采用，許多制造商爭(zhēng)相生產(chǎn)并在各種應(yīng)用中進(jìn)行實(shí)施。雖然這種技術(shù)在光的質(zhì)量和功率密度方面有了很大的提高，但效率已成為一個(gè)有待解決的 重要問(wèn)題。另外，早期應(yīng)用的故障率遠(yuǎn)高于預(yù)期。 高壓 LED照明面臨的主要挑戰(zhàn)是繼續(xù)提高功率密度和效率，并提升可靠性和經(jīng)濟(jì)性，以滿足未來(lái)應(yīng)用需求。 本文將介紹寬帶隙 (GaN) 技術(shù)，以及該技術(shù)如何 解決高壓 LED照明的效率和功率密度挑戰(zhàn)。文中將展示如何利用寬帶隙技術(shù)極大提高效率和功率密度，其中重點(diǎn)討論圖 1 所示的 LED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)的降壓部分。

與硅等傳統(tǒng)半導(dǎo)體相比，寬帶隙 (GaN) 半導(dǎo)體可以在更高的開(kāi)關(guān)頻率下工作。 寬帶隙材料需要更高的能量來(lái)激發(fā)電子，使其從價(jià)帶頂部躍遷到導(dǎo)帶底部，以便能夠在電路中使用。因此，增加帶隙對(duì)器件有很大的影響（并支持使用更小的芯片來(lái)完成同樣的工作）。像氮化鎵 (GaN) 這樣具有較大帶隙的材料可以承受更強(qiáng)的電場(chǎng)。寬帶隙材料的關(guān)鍵特性是具有高自由電子速度和更高的電子場(chǎng)密度。這些關(guān)鍵特性使 GaN 開(kāi)關(guān)的速度提高多達(dá) 10 倍，尺寸也顯著縮小，而電阻和擊穿電壓卻與類(lèi)似的硅元器件相同。GaN 非常適合高 壓 LED應(yīng)用，以上關(guān)鍵特 性使其成為未來(lái)照明應(yīng)用的理想選擇。

圖 1：非隔離式大功 率 LED驅(qū)動(dòng)器 的系統(tǒng)架構(gòu)。（圖片來(lái)源： STMicroelectronics ）

圖 1 顯示了 LED照明應(yīng)用的高級(jí)架構(gòu)，它將作為應(yīng)用 GaN 寬帶隙技術(shù)的基準(zhǔn)示例。寬帶隙材料可以在整個(gè)應(yīng)用中實(shí)施，但本文將重點(diǎn)討論綠色標(biāo)示的高壓電流發(fā)生器降壓部分如何利用寬帶隙技術(shù)實(shí)現(xiàn)效率和功率密度的最大化。大多數(shù)照明應(yīng)用要求在寬廣的交流輸入電壓范圍內(nèi)具有高功率因數(shù)和低諧波失真。在這種情況下，最好實(shí)現(xiàn)一個(gè) PFC 升壓器來(lái)為 LED驅(qū)動(dòng)器提供干凈的 400 VDC 輸入，并滿足電源質(zhì)量要求。前端 PFC 升壓轉(zhuǎn)換器有多種選擇：轉(zhuǎn)換模式 (TM)、連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 以及其他模式。轉(zhuǎn)換模式的特點(diǎn)是變頻工作，并且功率 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)的切換電流為零。其他優(yōu)點(diǎn)包括設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、電感器尺寸小、升壓二極管無(wú)需反向恢復(fù)。主要挑戰(zhàn)是高峰值和 RMS輸入電流，這也導(dǎo)致隨著功率的增加，需要更大的 EMI 濾波器。與轉(zhuǎn)換模式相反，連續(xù)導(dǎo)通模式以固定頻率工作。升壓電感器電流除了接近零交叉點(diǎn)外，總是有一個(gè)平均分量。電感器針對(duì) 20-30% 紋波設(shè)計(jì)，因此與轉(zhuǎn)換模式相比，EMI 濾波器更小。這也意味著與轉(zhuǎn)換模式相比，同樣的輸出功率需要更大的升壓電感器和更小的 EMI 濾波器。主要挑戰(zhàn)是控制更復(fù)雜，并且需要超快速軟恢復(fù)二極管或 SiC 二極管。因此，CCM PFC 通常比 TM PFC 更昂貴。理想情況下，在 CCM PFC 中可以使用零反向恢復(fù)開(kāi)關(guān)來(lái)代替整流二極管。因此， GaN 晶體管非常適合這一應(yīng)用。

隔離是可選配置，可以在輸入級(jí)和功率轉(zhuǎn)換的第二級(jí)之間引入。此示例沒(méi)有使用隔離，輸入 PFC 級(jí)之后是一個(gè)帶有 CC/CV 控制的非隔離式反相降壓級(jí)。如果需要隔離，根據(jù)應(yīng)用的輸出功率要求，可以使用諧振式電源轉(zhuǎn)換器（LLC、LCC）或反激式轉(zhuǎn)換器。

PFC 升壓轉(zhuǎn)換器在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)調(diào)節(jié)的直流總線電壓（高于輸入交流電壓的峰值），并將此較高直流總線電壓傳遞給反相降壓轉(zhuǎn)換器級(jí)。降壓操作非常簡(jiǎn)單。當(dāng)降壓轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電感器電壓為輸入和輸出電壓之差 (V IN – V OUT )。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，箝位二極管對(duì)電流進(jìn)行整流，電感器電壓與輸出電壓相同。

適用于 LED 驅(qū)動(dòng)器的 MasterGaN 系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP)

除了功率密度和效率之外，高壓照明應(yīng)用的另一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)復(fù)雜性。 使用寬帶隙半導(dǎo)體（如 GaN）可以提高電路的功率密度和效率。ST 的 MasterGaN系列 將高電壓智能功率BCD 工藝柵極驅(qū)動(dòng)器與高電壓 GaN 晶體管結(jié)合在一個(gè)封裝中，從而解決了設(shè)計(jì)復(fù)雜性挑戰(zhàn)。利用 MasterGaN 可以輕松實(shí)現(xiàn)圖 1 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。除柵極驅(qū)動(dòng)器外，它還嵌入了兩個(gè)半橋配置的 650 V GaN HEMT 晶體管。在此示例中，整個(gè)降壓功率級(jí)被集成到一個(gè) 9x9 mm 的 QFN 封裝中，需要的外部元器件數(shù)量極少。甚 至連陰極負(fù)載二極管（通常用來(lái)為 雙通道高壓側(cè)/低壓側(cè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的隔離高壓部分供電）也被嵌入到 SiP 中。因此， 與標(biāo)準(zhǔn)硅解決方案相比，使用 MasterGAN器件的應(yīng)用的功率密度可以得到顯著增加，同時(shí)開(kāi)關(guān)頻率或功率輸出也會(huì)提高。 更具體地說(shuō)， 在該 LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中， PCB面積減少了 30%，而且沒(méi)有使用散熱器。

對(duì)于大功率LED照明應(yīng)用，CCM 是最佳工作模式。 利用 GaN 器件實(shí)現(xiàn) CCM 時(shí)，用戶將獲得前面討論過(guò)的較高層次的好處，同時(shí)成本會(huì)降低。由于開(kāi)關(guān)損耗對(duì)整體功率損耗的貢獻(xiàn)減少，高功率應(yīng)用將不需要超低 RDSON。GaN 不會(huì)發(fā)生反向恢復(fù)，因而不存在恢復(fù)損耗，并且 EM I 也會(huì)降低，這樣就彌補(bǔ)了使用 CCM 的主要缺點(diǎn)。帶有固定關(guān)斷時(shí)間控制的 CCM 操作還使得輸出電流紋波依賴 VOUT 的補(bǔ)償非常容易。很明顯，對(duì)于高壓LED照明應(yīng)用以及其他許多應(yīng)用，采用 CCM 的 GaN 開(kāi)關(guān)實(shí)施方案是一個(gè)出色的組合。

圖 2 顯示了反相降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本方案，以及使用 MASTERGAN4 的實(shí)施方案。

圖 2：使用MASTERGAN4 實(shí)現(xiàn)的反相降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

MASTERGAN4 嵌入了兩個(gè) 225 mΩ（25°C 時(shí)的典型值）半橋配置的 650 V GaN 晶體管、一個(gè)專用半橋柵極驅(qū)動(dòng)器和陰極負(fù)載二極管。這種高集成度簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，9x9 mm 的小型 QFN 封裝最大限度地減少了 PCB 面積。圖 3 所示的 評(píng)估板 是用 MASTERGAN4 設(shè)計(jì)的，采用反相降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其規(guī)格如下：接受高達(dá) 450 V 的輸入，LED燈串的輸出電壓可設(shè)置為 100 V 至 370 V；以固定關(guān)斷時(shí)間 (FOT) CCM 模式工作，開(kāi)關(guān)頻率為 70 kHz；最大輸出電流為 1 A。

圖 3：使用MASTERGaN4 的反相降壓演示實(shí)例。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

該解決方案中的控制器，即 HVLED002 ，用于生成單一 PWM 控制信號(hào)。然后，它利用一個(gè)基于簡(jiǎn)單施密特觸發(fā)器的外部電路生成兩個(gè)互補(bǔ)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)具有適當(dāng)空載時(shí)間的低壓側(cè)和高壓側(cè) GaN 晶體管。它還包含兩個(gè)線性穩(wěn)壓器，用以產(chǎn)生 MASTERGAN4 所需的電源電壓。利用 MASTERGAN4 實(shí)現(xiàn)反相降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這一解決方案可提高功率密度和效率，下面討論的結(jié)果就是證明。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖 4 中的效率曲線顯示了輸出電流分別為 0.5 A 和 1 A 時(shí)建議解決方案和傳統(tǒng)硅解決方案的效 率與 LED燈串電 壓的關(guān)系；很明顯，前一方案優(yōu)于后一方案。

圖 4：MasterGaN和硅 MOSFET 的效率與 LED 電壓的關(guān)系。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

在整個(gè)LED燈串電壓范圍內(nèi)，MASTERGAN4的效率保持在 96.8% 或以上。我們可以觀察到，由于 GaN解決方案的傳導(dǎo)損耗很低，并且驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)損耗極小，因此在所有功率水平上，效率都得到了最大程度的提高。

表 1：GaN 和硅 MOSFET 的尺寸比較

表 1 比較了硅解決方案和基于 MASTERGAN4 的解決方案。如圖所示， GaN 設(shè)計(jì)方案的 PCB 整體面積減少了 30% 以上。 上述結(jié)果顯示了在這種反相降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中 使用 GaN 的一種可能方案。將開(kāi)關(guān)頻率提高到 70 kHz 以上可以減小輸出電感器和電容器的尺寸，但代價(jià)是驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)損耗提高。當(dāng)頻率更高且濾波器尺寸更小時(shí)，電解電容器可以用更可靠且更大的陶瓷電容器代替。根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用所要求的開(kāi)關(guān)頻率，可以實(shí)現(xiàn)濾波電容器和降壓電感器尺寸之間的最優(yōu)平衡。

 總結(jié)

本文討論了基于 MASTERGAN4 的 LED照明應(yīng)用的反相降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。該器件采用系統(tǒng)級(jí)封裝配置，具有 650 V、225 mΩ 的半橋配置GaN 晶體管和專用柵極驅(qū)動(dòng)器。相較于硅解決方案，GaN 解決方案的效率更高，PCB 面積更小。MasterGaN 是用于照明應(yīng)用的理想解決方案，可以實(shí)現(xiàn)緊湊、高效率、高功率的反相降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。