作者：George Hempt

文章概述  

本文介紹了寬帶隙（GaN）技術在高壓LED照明中的應用，以及如何解決效率和功率密度挑戰。文章重點討論了利用GaN技術的LED驅動器架構的降壓部分，展示了如何通過寬帶隙技術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工藝柵極驅動器與高電壓GaN晶體管結合，簡化了設計并提高了功率密度。

事實證明，高壓LED照明可以有效地取代高強度放電 (HID) 照明等先前技術。隨著高壓 LED照明得到采用，許多制造商爭相生產并在各種應用中進行實施。雖然這種技術在光的質量和功率密度方面有了很大的提高，但效率已成為一個有待解決的重要問題。另外，早期應用的故障率遠高于預期。高壓 LED照明面臨的主要挑戰是繼續提高功率密度和效率，并提升可靠性和經濟性，以滿足未來應用需求。本文將介紹寬帶隙 (GaN) 技術，以及該技術如何解決高壓 LED照明的效率和功率密度挑戰。文中將展示如何利用寬帶隙技術極大提高效率和功率密度，其中重點討論圖 1 所示的 LED驅動器架構的降壓部分。

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

圖 1：非隔離式大功率 LED驅動器的系統架構。（圖片來源：STMicroelectronics）

圖 1 顯示了 LED照明應用的高級架構，它將作為應用 GaN 寬帶隙技術的基準示例。寬帶隙材料可以在整個應用中實施，但本文將重點討論綠色標示的高壓電流發生器降壓部分如何利用寬帶隙技術實現效率和功率密度的最大化。大多數照明應用要求在寬廣的交流輸入電壓范圍內具有高功率因數和低諧波失真。在這種情況下，最好實現一個 PFC 升壓器來為 LED驅動器提供干凈的 400 VDC 輸入，并滿足電源質量要求。前端 PFC 升壓轉換器有多種選擇：轉換模式 (TM)、連續導通模式 (CCM) 以及其他模式。轉換模式的特點是變頻工作，并且功率 MOSFET 導通時的切換電流為零。其他優點包括設計簡單、電感器尺寸小、升壓二極管無需反向恢復。主要挑戰是高峰值和 RMS輸入電流，這也導致隨著功率的增加，需要更大的 EMI 濾波器。與轉換模式相反，連續導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外，總是有一個平均分量。電感器針對 20-30% 紋波設計，因此與轉換模式相比，EMI 濾波器更小。這也意味著與轉換模式相比，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。主要挑戰是控制更復雜，并且需要超快速軟恢復二極管或 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開關來代替整流二極管。因此， GaN 晶體管非常適合這一應用。隔離是可選配置，可以在輸入級和功率轉換的第二級之間引入。此示例沒有使用隔離，輸入 PFC 級之后是一個帶有 CC/CV 控制的非隔離式反相降壓級。如果需要隔離，根據應用的輸出功率要求，可以使用諧振式電源轉換器（LLC、LCC）或反激式轉換器。PFC 升壓轉換器在其輸出端產生一個經調節的直流總線電壓（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換器級。降壓操作非常簡單。當降壓轉換器中的開關接通時，電感器電壓為輸入和輸出電壓之差 (VIN – VOUT)。當開關斷開時，箝位二極管對電流進行整流，電感器電壓與輸出電壓相同。適用于LED驅動器的 MasterGaN 系統級封裝 (SiP)除了功率密度和效率之外，高壓照明應用的另一個關鍵挑戰是設計復雜性。使用寬帶隙半導體（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 工藝柵極驅動器與高電壓 GaN 晶體管結合在一個封裝中，從而解決了設計復雜性挑戰。利用 MasterGaN 可以輕松實現圖 1 所示的拓撲結構。除柵極驅動器外，它還嵌入了兩個半橋配置的 650 V GaN HEMT 晶體管。在此示例中，整個降壓功率級被集成到一個 9x9 mm 的 QFN 封裝中，需要的外部元器件數量極少。甚至連陰極負載二極管（通常用來為雙通道高壓側/低壓側半橋柵極驅動器的隔離高壓部分供電）也被嵌入到 SiP 中。因此，與標準硅解決方案相比，使用 MasterGAN器件的應用的功率密度可以得到顯著增加，同時開關頻率或功率輸出也會提高。更具體地說，在該 LED驅動器應用中，PCB面積減少了 30%，而且沒有使用散熱器。對于大功率LED照明應用，CCM 是最佳工作模式。利用 GaN 器件實現 CCM 時，用戶將獲得前面討論過的較高層次的好處，同時成本會降低。由于開關損耗對整體功率損耗的貢獻減少，高功率應用將不需要超低 RDSON。GaN 不會發生反向恢復，因而不存在恢復損耗，并且 EMI 也會降低，這樣就彌補了使用 CCM 的主要缺點。帶有固定關斷時間控制的 CCM 操作還使得輸出電流紋波依賴 VOUT 的補償非常容易。很明顯，對于高壓LED照明應用以及其他許多應用，采用 CCM 的 GaN 開關實施方案是一個出色的組合。圖 2 顯示了反相降壓拓撲結構的基本方案，以及使用 MASTERGAN4 的實施方案。

圖 2：使用MASTERGAN4 實現的反相降壓拓撲結構。（圖片來源：STMicroelectronics）

MASTERGAN4 嵌入了兩個 225 mΩ（25°C 時的典型值）半橋配置的 650 V GaN 晶體管、一個專用半橋柵極驅動器和陰極負載二極管。這種高集成度簡化了設計，9x9 mm 的小型 QFN 封裝最大限度地減少了 PCB 面積。圖 3 所示的評估板是用 MASTERGAN4 設計的，采用反相降壓拓撲結構，其規格如下：接受高達 450 V 的輸入，LED燈串的輸出電壓可設置為 100 V 至 370 V；以固定關斷時間 (FOT) CCM 模式工作，開關頻率為 70 kHz；最大輸出電流為 1 A。

圖 3：使用MASTERGaN4 的反相降壓演示實例。（圖片來源：STMicroelectronics）

該解決方案中的控制器，即 HVLED002，用于生成單一 PWM 控制信號。然后，它利用一個基于簡單施密特觸發器的外部電路生成兩個互補信號，以驅動具有適當空載時間的低壓側和高壓側 GaN 晶體管。它還包含兩個線性穩壓器，用以產生 MASTERGAN4 所需的電源電壓。利用 MASTERGAN4 實現反相降壓拓撲結構，這一解決方案可提高功率密度和效率，下面討論的結果就是證明。

實驗結果：

圖 4 中的效率曲線顯示了輸出電流分別為 0.5 A 和 1 A 時建議解決方案和傳統硅解決方案的效率與 LED燈串電壓的關系；很明顯，前一方案優于后一方案。

圖 4：MasterGaN和硅 MOSFET 的效率與 LED電壓的關系。（圖片來源：STMicroelectronics）

在整個LED燈串電壓范圍內，MASTERGAN4的效率保持在 96.8% 或以上。我們可以觀察到，由于 GaN解決方案的傳導損耗很低，并且驅動和開關損耗極小，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 設計方案的 PCB 整體面積減少了 30% 以上。上述結果顯示了在這種反相降壓拓撲結構中使用 GaN 的一種可能方案。將開關頻率提高到 70 kHz 以上可以減小輸出電感器和電容器的尺寸，但代價是驅動和開關損耗提高。當頻率更高且濾波器尺寸更小時，電解電容器可以用更可靠且更大的陶瓷電容器代替。根據目標應用所要求的開關頻率，可以實現濾波電容器和降壓電感器尺寸之間的最優平衡。

總結

本文討論了基于 MASTERGAN4 的 LED照明應用的反相降壓拓撲結構的實現。該器件采用系統級封裝配置，具有 650 V、225 mΩ 的半橋配置GaN 晶體管和專用柵極驅動器。相較于硅解決方案，GaN 解決方案的效率更高，PCB 面積更小。MasterGaN 是用于照明應用的理想解決方案，可以實現緊湊、高效率、高功率的反相降壓拓撲結構。