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提高 PoL 功率密度的技術趨勢

2021-07-13 來源:EEWORLDOnline

幾十年來,負載點(降壓)轉換器 (PoL) 的功率密度一直在增加,主要原因包括了組件的改進以及先進電源轉換技術,使得轉換效率不斷提高,因此可以支持更高功率密度。


在比較各種電源轉換器設計時,功率密度是一個需要考慮的重要參數。它可以通過多種方式測量:瓦特每立方英寸或立方毫米;瓦特每磅或公斤;每安培的立方英寸或立方毫米;等等。無論何種測量結果呈現,PoL 的功率密度在很長一段時間內一直在增加。


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隨著每一代技術的發展,功率模塊一直在不斷縮小。 (圖片:德州儀器)


降壓基礎原理


PoL 中使用的降壓轉換器拓撲包括一個控制器、兩個功率器件和至少一個能量存儲元件,一個電容器或一個電感器,或者更常見的是,一個電容器和一個電感器作為輸出濾波器。基本的降壓轉換器使用一個功率 MOSFET 和一個整流器,整流器可以是肖特基二極管。一種更新、更有效的方法,稱為同步降壓,用同步整流 MOSFET 代替輸出整流器。在典型的 PoL 降壓轉換器中,功率 MOSFET 在開關周期內導通的時間百分比稱為占空比,它等于輸出電壓與輸入電壓的比率。


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基本降壓轉換器框圖。 (圖片:Magno Teknik)


提高轉換效率是提高 PoL 功率密度的關鍵因素。PoL 降壓轉換器的常見損耗來源包括:


功率 MOSFET 中的開關損耗

功率半導體中的傳導損耗(二極管正向壓降和 MOSFET RDSon)

電感繞組電阻和交流損耗

電容等效串聯電阻


減少這些低效率組件是提高 PoL 功率密度的主要驅動因素。改進的封裝和熱管理是推動更高功率密度的次要因素。


電源開關趨勢


導通電阻(RDS(on) 和柵極電荷 (Qg) 是功率 MOSFET 的兩個關鍵性能指標。功率 MOSFET 品質因數 (FOM)為RDS(on) x Qg,仍然被廣泛用于比較各種器件。然而,當今的功率 MOSFET 是高度發達的器件,并具有與當今先進的柵極驅動器配合使用的優化 Qg。較大的器件尺寸與較低的 RDS(on) 與較小的器件尺寸以獲得較低的 Qg 之間的權衡仍然適用,并且功率 MOSFET 繼續具有更好的 FOM,但這種進步更多的是漸進式的。此外,還有一個參數也成為了進一步提升功率 MOSFET 性能的重點,Qrr。


Qrr 是二極管正向偏置時 MOSFET 體二極管 PN 結中的反向恢復電荷。Qrr 會導致耗散,從而降低效率。此外,Qrr 會影響電壓尖峰,導致電磁干擾增加甚至引發設備故障。Qrr 的重要性體現在更高的開關頻率下。


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Qrr 對體二極管反向恢復電流 (Irr) 的影響。 (圖片:Nexperia)


隨著功率 MOSFET 性能的提高變得越來越難以實現,開發具有更低寄生參數的更好封裝變得越來越重要。例如,供應商正在提供用于 PoL 的共同封裝的高側和低側 MOSFET。減小封裝有助于提高轉換器功率密度、簡化 PCB 布局和更好的 PoL 性能。


電感發展趨勢


在功率 MOSFET 之后,電感器是同步降壓轉換器中的第二大耗散元件,電感器直流電阻 (DCR) 是一個重要的考慮因素。與開啟和關閉的功率 MOSFET 不同,電感器始終傳導電流。


最近的電感器開發技術是可降低高達 40% 的 DCR 和低交流損耗的高性能器件,從而顯著提高效率。這些器件已針對開關頻率范圍為數百 kHz 至 5 MHz 的 PoL 進行了優化。


GaN 實現高密度 PoL


雖然硅 MOSFET 繼續逐步改進,但氮化鎵 (GaN) 功率開關可以實現 PoL 功率密度的指數型改進。例如,已經開發出一種基于 GaN 的非對稱半橋,額定電壓電流為 30V 和 16A,上部 FET Q1 的導通電阻為 19 mΩ,下部 FET Q2 的導通電阻為 8 mΩ。 GaN 開關的寄生電容比硅 FET 低得多,因此即使在高達 10MHz 的頻率下也能實現低開關損耗。該 GaN IC 的占位面積約為同類硅 MOSFET 面積的七分之一,可用于設計功率密度為 1000 W/in3 的 1V/12A 同步降壓轉換器 PoL。該 PoL 的高開關頻率減少了濾波需求,并允許使用更小的電感,從而降低輸出損失。


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基于 GaN 的半橋 PoL 框圖。 (圖片:EPC)


基于 GaN 的集成穩壓器 (IVR) 可實現更高的集成度,將所有分立元件消除或集成到單個器件中。 10A IVR 可以在 500ns 內實現從零到 10A 的負載階躍并保持穩壓,且壓降小于 15mV,無需外部輸出電容器。這些 IVR 的峰值效率高達 92%,輸出效率曲線幾乎平坦。三輸出 IVR 已集成到 厚度0.75mm,5mm x 5mm 封裝中,與以前的解決方案相比,可提供高達 10 倍的功率密度和 3 倍的瞬態響應精度。


GaN IVR 可以實現 10% 或更多的功率節省,同時熱耗散也有類似的降低。此外,與基于傳統電源管理 IC (PMIC) 的 PoL 相比,這些 DC/DC 轉換器的動態電壓縮放速度提升了1,000 倍,可實現快速無損的處理器狀態更改,可節省 30% 或更多的處理器功耗。


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動態電壓調節速度提高 1,000 倍的 IVR 可節省高達 50% 的能源。 (圖片:Empower Semiconductor)


混合架構支持更小的 PoL


常見的分布式電源架構使用隔離的中間總線轉換器將 48Vdc 配電總線轉換為較低的 12Vdc 中間總線,使用所謂的中間總線轉換器 (IBC) 為 PoL 供電。在 48V 汽車系統和數據中心和電信中心等應用中,48VDC 總線已經被隔離,無需隔離IBC。當不需要隔離中間總線時,可以使用由開關電容 (SC) 轉換器和同步降壓轉換器組成的混合解決方案來代替傳統的 IBC。 SC 轉換器將輸入電壓降低 50%,從而降低降壓轉換器的輸入輸出電壓比并提高效率。


混合 SC-Buck 可以以高出 3 倍的開關頻率運行,同時提供與傳統降壓相同的整體效率,從而使整體解決方案尺寸減少多達 50%。如果在與傳統降壓 PoL 相同的頻率下運行,則混合 SC-buck 可實現3%的效率提升。混合 SC-buck 方法的額外優勢包括消除通常與 SC 轉換器相關的浪涌電流,在啟動時對電容器進行預平衡,以及由于軟開關前端從而實現低 EMI 輻射。


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混合 PoL,結合了開關電容器和同步降壓。 (圖片:ADI)


總結


PoL 的功率密度多年來一直在增加,主要是由于功率 MOSFET 和電感器的改進。然而,這些組件現在已經高度優化,基于硅 MOSFET 的 PoL 功率密度的持續增加的難度正變得越來越大。隨著 GaN 電源開關和 GaN 電源 IC 的新發展,這種情況可能會發生變化。與此同時,混合 SC-buck 轉換等創新電源轉換解決方案可為基于硅 MOSFET 的 PoL 解決方案注入新的活力。 

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