借助高集成度 TOLL 封裝 GaN 器件推動電源設計創新
發布時間：2025-6-4 18:38
發布者：eechina
作者：德州儀器 當今的電源設計要求高效率和高功率密度。因此，設計人員將氮化鎵 (GaN) 器件用于各種電源轉換拓撲。 GaN 可實現高頻開關，這樣可減小無源器件的尺寸，從而增加密度。與硅和碳化硅 (SiC) 之類的技術相比，GaN 還可降低開關、柵極驅動和反向恢復損耗，從而提高電源設計效率。 您可以使用 650V GaN FET 進行 AC/DC 至 DC/DC 轉換，或使用 100V 或 200V GaN FET 進行 DC/DC 轉換以實現電源供應。 如果您從事尖端產品的研發，為了簡化采購團隊的供應鏈，選擇采用業界通用封裝的器件也很重要。因此，對于 650V 應用，變壓器外形無引腳 (TOLL) 封裝在高功率電源設計中越來越受歡迎。 除了選擇業界通用器件之外，德州儀器 (TI) 的 LMG3650R035 GaN 場效應晶體管 (FET) 之類的集成器件在創建跨各種電源拓撲的高密度、可靠運行的設計時也可發揮重要作用。該器件具有集成柵極驅動器以及過流保護、過熱保護和短路保護等保護電路。集成保護電路有助于減少實現這些特性所需的外部元件。該器件還支持高壓應用中的多種電源拓撲，包括圖騰柱功率因數校正 (PFC)、電感電容器、相移全橋和雙有源電橋。 集成柵極驅動器可幫助您創建簡潔的高密度布局，同時顯著減少寄生耦合，如 圖 1 所示。集成在高開關頻率的電源轉換中變得尤為重要，因為柵極環路中的電路寄生耦合會導致柵極噪聲和重疊損耗增加。使用集成式功率級，寄生耦合可以忽略不計，并且能簡化布局。
圖 1: 電路寄生效應集成式 GaN 功率級與分立式 GaN TI 高壓 TOLL 器件的應用領域 讓我們回顧一下 TI 的 TOLL 器件的幾個主要應用領域，在這些領域中，您可以利用集成保護特性、集成零電壓檢測（可減少第三象限損耗）以及可忽略不計的寄生耦合導致的更低重疊開關損耗。 用于數據中心和電信供電的 PSU 隨著對數據中心和超大規模計算的需求不斷增長，打造高效且高功率密度的電源單元 (PSU) 的需要將呈指數級增長。即使電信領域從 4G 發展到5G（以及現在的 6G），設備的功率要求也在不斷提高，而外形尺寸仍然不變。 這種情況成為集成 650V TOLL 器件的典型用例，主要通過 PFC 和 DC/DC 級將交流電源轉換為直流總線，如 圖 2 所示。對于前面提到的拓撲，我們采用 TOLL 封裝的 GaN 器件可在 PFC 級實現超過 99% 的效率，在 DC/DC 級實現超過 98% 的效率。
圖 2: PSU 方框圖 太陽能微型逆變器 太陽能作為一種電源正在呈現上升趨勢。如 圖 3 所示，雙向 DC/DC 和 PFC 以及逆變器級均可使用集成 GaN TOLL 器件將太陽能電池板電壓轉換為交流電。隨著清潔能源要求的迅速提高，使用業界通用器件實現高效率、高功率和小尺寸非常重要。 TOLL GaN 器件可通過業界通用的封裝尺寸和集成特性增加價值。這些器件可幫助您使用不同的漏源導通電阻調整到不同的功率級別以及不同拓撲，同時不需要費心考慮布局，因為大多數檢測和優化特性都已集成在功率級中。
圖 3: 微型逆變器方框圖 電視電源 大屏幕（40 英寸以上）電視市場具有相當大的增長潛力，而且出于美學考慮，屏幕變得越來越輕、越來越薄。由于屏幕越大對功率的要求越高，但更為輕薄，因此提高電視的能效非常重要。AC/DC 轉換可以利用 PFC 和 DC/DC 級中的 TOLL 器件。 集成 TOLL GaN 器件讓您能夠保持無源器件的尺寸不變，并通過簡單的布線盡可能減少外部電路，從而獲得更薄的印刷電路板。該設計還將更加高效，同時仍采用業界通用封裝。 2W、3W 和 4W 車載充電器 在全球致力于努力減少尾氣排放的時代，汽車電氣化的新聞經久不衰。輕松實現移動充電要求電動汽車上有車載充電器 (OBC)。由于 OBC 在電動汽車中位于底盤，因此它應具備高功率密度和高效率，以盡可能縮小占用的空間并降低損耗，因為沒有主動冷卻功能來耗散損耗。 圖 4 顯示了典型的 OBC 方框圖。高集成度的 TOLL GaN 器件可以幫助 PFC 和 DC/DC 級通過集成以及更高的開關頻率來優化設計尺寸，并降低損耗（柵極驅動和開關損耗）以實現更有效的熱耗散。利用 TOLL GaN 器件，在器件級還支持所有保護功能，這將有助于提高 OBC 設計的彈性，同時保持業界通用的封裝尺寸。
圖 4: 車載充電器 結語 未來電源設計人員面臨的最大設計挑戰之一，是如何以盡可能低的損耗和高密度設計達到不斷提高的功率等級。通過將集成 GaN 與業界通用封裝相結合，高集成度 TOLL GaN 器件可提供出色的性能，還免去了額外電路和復雜 PCB 布局的麻煩。這有助于降低設計的冗雜程度。此外，這還將強化其他終端設備領域的設計，例如，同樣重視簡單、高密度設計的電機驅動器、工業電源和電器電源。 隨著 GaN FET 技術的突飛猛進，我們將在未來不斷投資和提高 TOLL 器件的品質因數，從而幫助設計人員努力在同一領域提供更高的功率。 |
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