文章 概述本文援用地点：本文先容了 宽带隙技巧在高压 LED照明 中的利用，以及怎样处理效力跟功率密度挑衅。文章重点探讨了应用GaN技巧的LED驱动器架构的降压局部，展现了怎样经由过程宽带隙技巧进步效力跟功率密度。文中还先容了STMicroelectronics的MasterGaN系列，该系列将高电压智能功率BCD工艺栅极驱动器与高电压GaN晶体管联合，简化了计划并进步了功率密度。现实证实， 高压LED照明能够无效地代替高强度放电 (HID) 照明等先前技巧。跟着高压 LED照明失掉采取，很多制作商争相出产并在种种利用中停止实行。固然这种技巧在光的品质跟功率密度方面有了很年夜的进步，但效力已成为一个有待处理的 主要成绩。别的，晚期利用的毛病率远高于预期。 高压 LED照明面对的重要挑衅是持续进步功率密度跟效力，并晋升牢靠性跟经济性，以满意将来利用需要。 本文将先容宽带隙 (GaN) 技巧，以及该技巧怎样 处理高压 LED照明的效力跟功率密度挑衅。文中将展现怎样应用宽带隙技巧极年夜进步效力跟功率密度，此中重点探讨图 1 所示的 LED驱动器架构的降压局部。与硅等传统半导体比拟，宽带隙 (GaN) 半导体能够在更高的开关频率下任务。 宽带隙资料须要更高的能量来激起电子，使其从价带顶部跃迁到导带底部，以便可能在电路中应用。因而，增添带隙对器件有很年夜的影响（并支撑应用更小的芯片来实现同样的任务）。像氮化镓 (GaN) 如许存在较年夜带隙的资料能够蒙受更强的电场。宽带隙资料的要害特征是存在高自在电子速率跟更高的电子场密度。这些要害特征使 GaN 开关的速率进步多达 10 倍，尺寸也明显缩小，而电阻跟击穿电压却与相似的硅元器件雷同。GaN 十分合适高 压 LED利用，以上要害特 性使其成为将来照明利用的幻想抉择。图 1：非断绝式年夜功 率 LED驱动器 的体系架构。（图片起源： STMicroelectronics ）图 1 表现了 LED照明利用的高等架构，它将作为利用 GaN 宽带隙技巧的基准示例。宽带隙资料能够在全部利用中实行，但本文将重点探讨绿色标示的高压电流产生器降压局部怎样应用宽带隙技巧实现效力跟功率密度的最年夜化。年夜少数照明利用请求在广阔的交换输入电压范畴内存在高功率因数跟低谐波掉真。在这种情形下，最好实现一个 PFC 升压器来为 LED驱动器供给清洁的 400 VDC 输入，并满意电源品质请求。前端 PFC 升压转换器有多种抉择：转换形式 (TM)、持续导通形式 (CCM) 以及其余形式。转换形式的特色是变频任务，而且功率 MOSFET 导通时的切换电流为零。其余长处包含计划简略、电感器尺寸小、升压二极管无需反向规复。重要挑衅是顶峰值跟 RMS输入电流，这也招致跟着功率的增添，须要更年夜的 EMI 滤波器。与转换形式相反，持续导通形式以牢固频率任务。升压电感器电流除了濒临零穿插点外，老是有一个均匀分量。电感器针对 20-30% 纹波计划，因而与转换形式比拟，EMI 滤波器更小。这也象征着与转换形式比拟，同样的输出功率须要更年夜的升压电感器跟更小的 EMI 滤波器。重要挑衅是把持更庞杂，而且须要超疾速软规复二极管或 SiC 二极管。因而，CCM PFC 平日比 TM PFC 更昂贵。幻想情形下，在 CCM PFC 中能够应用零反向规复开关来取代整流二极管。因而， GaN 晶体管十分合适这一利用。断绝是可选设置，能够在输入级跟功率转换的第二级之间引入。此示例不应用断绝，输入 PFC 级之后是一个带有 CC/CV 把持的非断绝式反相降压级。假如须要断绝，依据利用的输出功率请求，能够应用谐振式电源转换器（LLC、LCC）或反激式转换器。PFC 升压转换器在其输出端发生一个经调理的直流总线电压（高于输入交换电压的峰值），并将此较高直流总线电压通报给反相降压转换器级。降压操纵十分简略。当降压转换器中的开关接通时，电感器电压为输入跟输出电压之差 (V IN – V OUT )。当开关断开时，箝位二极管对电流停止整流，电感器电压与输出电压雷同。实用于 LED 驱动器的 MasterGaN 体系级封装 (SiP)除了功率密度跟效力之外，高压照明利用的另一个要害挑衅是计划庞杂性。 应用宽带隙半导体（如 GaN）能够进步电路的功率密度跟效力。ST 的 MasterGaN系列 将高电压智能功率BCD 工艺栅极驱动器与高电压 GaN 晶体管联合在一个封装中，从而处理了计划庞杂性挑衅。应用 MasterGaN 能够轻松实现图 1 所示的拓扑构造。除栅极驱动器外，它还嵌入了两个半桥设置的 650 V GaN HEMT 晶体管。在此示例中，全部降压功率级被集成到一个 9x9 mm 的 QFN 封装中，须要的外部元器件数目少少。甚 至连阴极负载二极管（平日用来为 双通道高压侧/高压侧半桥栅极驱动器的断绝高压局部供电）也被嵌入到 SiP 中。因而， 与尺度硅处理计划比拟，应用 MasterGAN器件的利用的功率密度能够失掉明显增添，同时开关频率或功率输出也会进步。 更详细地说， 在该 LED驱动器利用中， PCB面积增加了 30%，并且不应用散热器。对年夜功率LED照明利用，CCM 是最佳任务形式。 应用 GaN 器件实现 CCM 时，用户将取得后面探讨过的较高档次的利益，同时本钱会下降。因为开关消耗对团体功率消耗的奉献增加，高功率利用将不须要超低 RDSON。GaN 不会产生反向规复，因此不存在规复消耗，而且 EM I 也会下降，如许就补充了应用 CCM 的重要毛病。带有牢固关断时光把持的 CCM 操纵还使得输出电流纹波依附 VOUT 的弥补十分轻易。很显明，对高压LED照明利用以及其余很多利用，采取 CCM 的 GaN 开关实行计划是一个杰出的组合。图 2 表现了反相降压拓扑构造的基础计划，以及应用 MASTERGAN4 的实行计划。图 2：应用MASTERGAN4 实现的反相降压拓扑构造。（图片起源：STMicroelectronics）MASTERGAN4 嵌入了两个 225 mΩ（25°C 时的典范值）半桥设置的 650 V GaN 晶体管、一个公用半桥栅极驱动器跟阴极负载二极管。这种高集成度简化了计划，9x9 mm 的小型 QFN 封装最年夜限制地增加了 PCB 面积。图 3 所示的 评价板 是用 MASTERGAN4 计划的，采取反相降压拓扑构造，其规格如下：接收高达 450 V 的输入，LED灯串的输出电压可设置为 100 V 至 370 V；以牢固关断时光 (FOT) CCM 形式任务，开关频率为 70 kHz；最年夜输出电流为 1 A。图 3：应用MASTERGaN4 的反相降压演示实例。（图片起源：STMicroelectronics）该处理计划中的把持器，即 HVLED002 ，用于天生单一 PWM 把持旌旗灯号。而后，它应用一个基于简略施密特触发器的外部电路天生两个互补旌旗灯号，以驱动存在恰当空载时光的高压侧跟高压侧 GaN 晶体管。它还包括两个线性稳压器，用以发生 MASTERGAN4 所需的电源电压。应用 MASTERGAN4 实现反相降压拓扑构造，这一处理计划可进步功率密度跟效力，上面探讨的成果就是证实。图 4 中的效力曲线表现了输出电流分辨为 0.5 A 跟 1 A 时倡议处理计划跟传统硅处理计划的效 率与 LED灯串电 压的关联；很显明，前一计划优于后一计划。图 4：MasterGaN跟硅 MOSFET 的效力与 LED 电压的关联。（图片起源：STMicroelectronics）在全部LED灯串电压范畴内，MASTERGAN4的效力坚持在 96.8% 或以上。咱们能够察看到，因为 GaN处理计划的传导消耗很低，而且驱动跟开关消耗极小，因而在全部功率程度上，效力都失掉了最年夜水平的进步。表 1：GaN 跟硅 MOSFET 的尺寸比拟表 1 比拟了硅处理计划跟基于 MASTERGAN4 的处理计划。如图所示， GaN 计划计划的 PCB 团体面积增加了 30% 以上。 上述成果表现了在这种反相降压拓扑构造中 应用 GaN 的一种可能计划。将开关频率进步到 70 kHz 以上能够减小输出电感器跟电容器的尺寸，但价值是驱动跟开关消耗进步。当频率更高且滤波器尺寸更小时，电解电容器能够用更牢靠且更年夜的陶瓷电容器取代。依据目的利用所请求的开关频率，能够实现滤波电容器跟降压电感器尺寸之间的最优均衡。 总结本文探讨了基于 MASTERGAN4 的 LED照明利用的反相降压拓扑构造的实现。该器件采取体系级封拆卸置，存在 650 V、225 mΩ 的半桥设置GaN 晶体管跟公用栅极驱动器。相较于硅处理计划，GaN 处理计划的效力更高，PCB 面积更小。MasterGaN 是用于照明利用的幻想处理计划，能够实现紧凑、高效力、高功率的反相降压拓扑构造。 　　申明：新浪网独家稿件，未经受权制止转载。 -->