从元件到系统 高压电源转换创新解方：GaN技术成关键驱动力

图1.理论上的导通电阻与阻断电压。TI

面对全球能源转型与电器化趋势，电源管理领域正努力提升功率密度，高效能源传输变得更为重要。电阻损耗（I²R）限制了电源供应器的功率。为提升系统效率，需要增加传输电压，减少所需电流，从而降低传输损失。目前应用的高压系统范例包括家用AC配电系统、电信与服务器电源系统、再生能源系统的DC微电网、能源储存系统，以及电动车（EV）车载与车外充电器。例如，电动车电池从400V向800V发展，以实现更快速的电力传输至牵引变流器，提升加速性能。

虽然高压运作提升了系统效率，但安全的人机界面、适当的电隔离和绝缘至关重要。此外，封闭回路系统需要跨隔离边界的信号通讯。拓扑选择、磁性电路设计、电磁干扰、运作模式、温度管理以及布线和控制的最佳化，都是高压系统设计的重要挑战。要在高压系统中实现高效的电源转换，需要深入了解高压元件、电气与磁性电路建模、绝缘要求、电磁兼容性专业知识和电源转换器控制技术。在此背景下，第三类宽能隙半导体氮化镓（GaN）以其高转换效率、高开关频率、低反向复原时间和高温耐受性，成为电源管理的关键技术。随着GaN技术进步，GaN解决方案在广泛应用中提升了性能、可靠性和竞争力，成为提升能源效率的重要驱动力。

在元件、拓扑和系统层面的创新是提升高压电源转换效率和密度的关键。这三大层面的创新对汽车和工业应用中的高压电源转换系统的效率和可靠性至关重要。

透过元件创新发挥最佳宽能隙FET性能，TI整合式且具成本效益解决方案克服设计挑战

碳化矽（SiC）MOSFET 或氮化镓（GaN）FET 等宽能隙 FET 是比矽 MOSFET 更高效的替代方案。宽能隙 FET 在相同电压下具有极低甚至没有反向复原电荷（Qrr），且导通电阻较低，如图1所示。此外，宽能隙 FET 的闸极电荷（Qg）和输出电容（Coss）等寄生参数远低于矽MOSFET，因此切换速度更快，损耗更低。

切换至宽能隙技术需要精心选择元件，因其特性与矽晶设计完全不同。为减少切换损耗，宽能隙FET需要快速充放电的闸极驱动器。传统矽MOSFET驱动器可能无法提供适当电压调节，或无法处理高共模电压瞬态。切换事件时，切换节点电压变化会产生电流流经驱动器的寄生电容，若共模瞬态抗扰性（CMTI）不足，可能导致驱动器故障。如图2与图3所示。工程师可使用具米勒箝位技术和高CMTI额定值的驱动器，如TI的UCC5880-Q1强化型隔离驱动器，该驱动器具高达20 A的可变闸极驱动强度，提升功率密度，降低系统设计复杂度和成本，达成安全与性能目标。

更快的切换速度意味着更低的损耗，但也可能引发电压振铃和共模杂讯问题。随着GaN技术持续发展，TI 提供高度整合的GaN解决方案，协助工程师克服设计挑战。TI透过将GaN FET和闸极驱动器整合至相同封装中，避免产生PCB电感。另外，也爲闸极驱动回路建立源极接线（Kelvin Source）连接；因此TI GaN FET可在高瞬态电压下切换，进而将切换损失降到最低。

此外，控制器对于高压系统的实时运算和精确控制至关重要。TI的C2000实时MCU透过高分辨率PWM模块，以150-ps增量精准调整，优化性能。C2000还提供可配置的逻辑区块，允许在芯片内部实现自定义逻辑，取代外部的现场可程序化逻辑闸阵列（FPGA）或的可编程逻辑装置（CPLD），大幅简化系统的成本和开发时间，同时确保故障保护和系统的稳定运行。

与此同时，TI在GaN解决方案的优势还包含成本竞争力，得利于其整合式设计，有助于系统性成本下降，此外，其强大的内部制造能力也带来成本优势。

透过拓扑创新获得最大功率密度，以GaN元件释放图腾柱PFC应用潜力

除了元件级创新外，在高压系统中，拓扑创新可以显着简化电源转换过程。例如，传统上工程师使用桥式整流器配合二极管和电容器将AC电压转换为DC电压，如图4所示。

然而，这种传统设计的功率因数通常低于0.5，这意味着会有大量的未使用功率（无功功率）产生。为了解决这个问题，工程师引入了有功功率因数校正（PFC）电路。这种设计使用通用AC电压，然后将其升压到稳定的400V电压，通过传感输入电压来控制电感电流，确保功率因数接近1（约为0.99）。

然而，在千瓦级别的高压系统中，PFC整流器的全桥式二极管整流器会造成超过1%的整体效率损失。例如，对于一个2kW的整流器来说，全桥式二极管整流器的损耗预计超过20W。为了降低这种损耗，无桥式图腾柱PFC成为更好的替代方案，如图5所示。这种设计将整流器功能与升压转换器整合在一起，只需两个额外的MOSFET（而非四个二极管），因此总整流器损耗（附带两个低频FET）大幅降低。

在无桥式图腾柱PFC中使用矽晶MOSFET可能会面临高切换损失的Qrr问题。因此，在大多数情况下，利用宽能隙FET实现无桥式图腾柱PFC拓扑是解决Qrr损耗的有效方法。相比具有相同导通电阻的超接面MOSFET，SiC MOSFET的Qrr小了20倍，而GaN FET的Qrr则低至零。因此，结合元件级创新和拓扑创新（例如GaN FET与图腾柱PFC），能够实现极高的效率水平，显着提升高压系统的功率密度，同时减轻系统的整体重量。

现今，GaN在电源管理领域已取得关键地位，广泛应用于消费电子、工业、车用和服务器电源等领域。TI预期未来所有使用PFC架构的功率模块产品皆有机会引入GaN技术与元件，藉TI GaN元件高整合性与强大内部制造能力所带来的成本优势，克服电源管理挑战，达成全球减碳与能源转型目标。

以企业数据中心的电源供应单位（PSU）为例，单一数据中心的电力需求大约为50 MW，而全球大约有8,000个同规模的数据中心，一般来说，每个PSU需要提供数千瓦的电力，以确保数据中心的持续供电。透过采用GaN元件的图腾柱PFC，可将PSU的电源转换效率提升到98%以上，有效协助数据中心减少大量的能源消耗并降低营运成本。

以系统级创新实现超高效率目标，TI整合式解决方案结合元件、拓扑与控制系统创新

在系统架构创新方面，控制系统的创新是提升高压电源转换系统效能的关键途径之一，选择适当的PFC控制模式对系统效能至关重要。如传导导电模式（CCM）和临界导通模式（CRM），各自具有独特的优势，能够有效提升系统效率并管理EMI杂讯水平。多模式操作的引入，将CCM和CRM结合，不仅平衡了效率和EMI滤波器设计的要求，还推动了系统向更高效能和可靠性的发展。图6说明这三种模式下的波纹电流封包。

此外，新一代高效率高压电源转换系统需应对EMI滤波器设计挑战。通过将PFC电感器分离为高电感和低电感元件，可以有效降低系统EMI杂讯，使滤波器设计更简单且具成本效益，如图7所示。

修改后的软切换CRM PFC虽能克服EMI滤波器设计挑战，但需要额外传感和控制来确保软切换。整合软切换传感电路与FET可简化系统，如LMG3526R030将GaN FET、驱动器、保护和电压传感整合至一个封装中。此装置在GaN FET通道传导前发出零电压侦测脉冲来指示软切换。使用LMG3526R030的零电压侦测功能，变频、ZVS、5-kW、基于GaN的双相图腾柱PFC参考设计，通过结合元件、拓扑和控制系统创新，展示了超过99.1%的峰值效率。

结论

现今，设计高压电源转换系统比十年前更加简单，但新技术带来了新挑战。单点突破无法革命性改变高压系统，因每个设计项目必须互相进化，以提升高压系统的效率、功率密度和性能。TI的高压电源转换技术涵盖GaN IC、隔离式闸极驱动器、隔离式DC/DC转换器及模块、C2000实时微控制器，利用元件、拓扑和系统等三大层面的创新，简化高效能、高功率密度、高压电源转换系统的设计。通过这些创新，汽车和工业应用中的高压电源转换系统将实现更高效率和更优性能，满足增长的能源需求，并为未来电力电子设计设定新标准。