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变革的700 V高频、高低端驱动器实现超高功率密度
 

【作者: Dhruv Chopra】2019年02月22日 星期五

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为了使现代电源更紧凑和高效,电源设计人员越来越倾向选用高频应用。开关电源采用高频工作可以缩小变压器的尺寸,进而增加电源的功率密度。高频工作也有助於改善电源的电磁干扰(Electro-Magnetic Interference;EMI)讯号,减少EMI元件数。因此,世界各地的电源设计人员都在研究高频应用。


然而,在实现高频电源方面存在一些障碍。功率开关、变压器铁芯材料、漏电损耗和开关损耗是阻碍大规模应用高频电源的一些障碍。随着氮化??(GaN)/碳化矽(SiC)技术的出现和MOSFET技术的不断发展,功率开关似??开始适用於高频电源。同样,变压器铁芯材料制造商也在不懈地努力创新高频铁芯材料。


零电压开关(Zero voltage switching ;ZVS)拓扑可以减少与功率开关相关的开关损耗。常用的ZVS拓扑如LLC、半桥转换器、全桥转换器、主动钳位返驰式、双开关顺向式转换器等。需要低、高端驱动器来实现缓冲和电平位移的功能。这些元件可以驱动高端MOSFET的门极,其原始节点为动态变化的节点。


有与功率开关驱动器相关的固有损耗。在LLC、半/全桥转换器等具有图腾柱结构的功率开关中,高端驱动器的电平偏移损耗很大。频率越高,这些损耗就越严重。


NCP51530特性

安森美半导体的NCP51530[1] 是700 V、高、低端驱动器,用於AC-DC电源和变换器,提供高频工作下同类最隹的传播延迟、低静态电流和开关电流。NCP51530具有业界最低的电平偏移损耗。因此该元件使电源能在高频下执行高能效工作。


NCP51530有A/B两个版本。NCP51530A具有典型的50 ns传播延迟,而NCP51530B有25 ns传播延迟。NCP51530采用SOIC8和DFN10封装。其SOIC8封装接脚对接脚与业界标准的方案相容。


NCP51530有两个独立的输入接脚:HIN和LIN,使其能用於各种不同的应用。


该元件还包括的特性有,在浮动输入的情况下,逻辑仍然是固定的。驱动输入与CMOS和TTL逻辑相容,因此它易於与类比和数位控制器的介面。NCP51530具有高、低端驱动的欠压锁定(under voltage lock out)功能,确保在正确的VCC和VB电压水准上运作。NCP51530的输出级具有3.5A/3A电流源/汲电流能力,可在10 ns内对1 nF负载高效地充放电。


NCP51530主动钳位返驰式应用

主动钳位返驰式 (ACF)是经典返驰式拓扑的一个变体,它是运用储存在寄生元件中的能量实现ZVS,而不是透过消耗缓冲电路中的功率。主动钳位产生的波形通常没有尖峰,因此比传统技术更好的抗电磁干扰(EMI)。ZVS特性支援电源转换器在高频工作,同时实现高能效。


安森美半导体的NCP1568 [2] 是高整合度的AC-DC 脉宽调变(Pulse Width Modulation;PWM)控制器,用於实施主动钳位返驰式拓扑。NCP 1568采用专有的变频演算法,实现超结合面(Super?Junction)或GaN FET在各种线性、负载和输出条件下的零电压开关(ZVS)。ZVS特性透过提高工作频率来提高电源转换器的功率密度,同时实现高能效。


为了最大限度地减少ACF应用中的功率损耗,当负载和输入电压发生变化时,工作频率需要改变,使附加循环电流保持在最小。对於超接合面FET,ZVS所需的负电流通常为?0.5A。透过调节振荡器的频率,直到SW节点的下降时间被调制成在线性和负载条件下的预定死区时间为止,进而以数位化方式保持负磁化电流相对??定。


在NCP1568中建立时间基准,并根据转换和实现ZVS所需的时间累积错误讯号。如果开关节点的转换速度快,且ZVS发生在基准时间之前,那麽就有绰绰有馀的能量快速重置节点,因此应该降低工作频率或减少关闭时间。


如果开关节点ZVS刚好在基准时间发生,则不需要调节频率。如果ZVS发生在基准时间後,频率太高,需要降低以确保好的ZVS。



图1 :  ACF采用NCP51530和NCP1568
图1 : ACF采用NCP51530和NCP1568

正如预期,在具有快速传播延迟的高端驱动器中采用该演算法,工作会更高效。具有较慢传播延迟的驱动器使用该演算法,将导致比更快传播延迟驱动器更低的工作频率,使整个系统不那麽高能效,损耗更大。NCP 51530是业界最快的高低端驱动器,完美地实现这一功能。


使用NCP1568和NCP51530的ACF板顶层原理图如图1所示。该原理图用於60W、通用输入、20 V输出电源的应用。该电源采用安森美半导体的NCP1568 PWM控制器、NCP 51530高低端驱动器、NCP 4305 同步整流(SR)控制器和FDMS 86202 SR FET。这是变频的,ACF工作频率范围从200千赫到400千赫。典型的ACF波形如图2所示。



图2 : 主动钳位返驰式(BLUE━SWNODE;YELLOW━LDRV;GREEN━HDRV)
图2 : 主动钳位返驰式(BLUE━SWNODE;YELLOW━LDRV;GREEN━HDRV)

计算NCP51530的损耗

在这一部分中,我们使用NCP1568计算NCP51530在ACF应用中的功率功耗。驱动器的总功率损耗可大致分为静态功率损耗和动态功率损耗 [4] 。静态功率损耗是由元件运行所需的偏置电流(bias current)造成的。动态损耗是由於元件的开关特性造成的。动态损耗又可分为外部FET闸极的充放电损耗和电平偏移电容的充放电损耗。


NCP51530的总功率损耗可按以下步骤逐步计算。


在以适当频率开关时,元件的静态功率损耗(不包括驱动器)


P_(operating)=V_(boot)*I_(BO)+V_(CC)*I_(CCO)


=14V*0.4mA+15V*0.4mA=11.6 mW


IBO是高端驱动器的运作电流


ICCO是低端驱动器的运作电流


驱动外部FET的功率损耗


这一损耗是由於外部FET的闸极电容器充放电造成的。因为在这个ACF应用中,只有一个外部FET是由NCP 51530驱动的,所以我们只考虑了驱动一个MOSFET的功率损耗。


如果NCP51530用於驱动高、低端FET,则必须包括两个外部MOSFET闸极的充放电功率损耗。


P_(drivers)=((Q_(gs)*V_(boot) ))*f


=((4nC*14V))*425 kHz=23.8 mW


Qgs is gate to source charge of the MOSFET


Qgs是MOSFET的闸极电荷


Vboot is the high side bias supply voltage


Vboot是高端偏置电源电压


f is the frequency of operation


f是运作频率


电平偏移损耗 [4]


当高端开关关闭时,它会使电流流入电平偏移电路,为ldmos1电容充电。该电流从高压母线流过功率元件和自举电容器。另一方面,当高端开关接通时,会使电流从VCC流经自举二极体进入电平偏移电路。


P_( levelshifting)=(Vsw+V_(boot))*Q_(ls)* f


=415V*.5nC*425 kHz=88.2 mW


Vsw是轨道电压


Qls是电平偏移电路的基板电荷


Vboot是高端偏置电压


f是运作频率


P井电容的充放电损耗


在半桥式功率电路中,每当开关节点在轨道和接地电平之间摆动时,井电容就会被充电和放电。这充电电流由高压轨提供。这电流的放电路径是流经低端元件和epi电阻。大部分损耗发生在高低端驱动器之外,因为epi电阻比内部元件电阻小得多。因此,这些损耗不计入高低端驱动器内部的损耗。


? P?_(Csub)=(Vsw)*Q_(Cwell)* f


=415V*.3nC*425kHz=52 mW


Vsw是轨道电压


QCwell 是开关节点电容井的基板电荷


f是运作频率


总功率损耗


驱动器的总功率损耗为驱动损耗、静态损耗和电平偏移损耗之和。这里不考虑由於井电容Cwell的充放电造成的损耗,因为大部分损耗都在MOSFET内部,而不在驱动器。但这些损耗会影响系统能效。


P_(total)=P_(drivers)+P_(operating) +? P?_(levelshifting)


=12 mW+17 mW+88mW=117 mW


接合面温度升高


t_j=R_θJA*P_total=183*0.117=21.5。C


Tj是接合面温度


RθJA 是热阻


P total是元件的总功率损耗


与竞争元件的比较

我们选择了两款竞争对手的元件作比较,这两款元件是业界标准的元件,与NCP51530一样用於类似的应用并采用与NCP51530相同的封装。都与NCP51530一样采用相同的主动钳位返驰式EVB装置进行测试。在完全相同的条件下,对这三款驱动IC的热资料进行了两两比较,并分别比较了采用这三款驱动ICACF板的能效。


热结果

NCP1568在所有条件下使用专有的变频演算法实现ZVS。如上所述,在相同的负载条件下,这3款驱动器的不同传播延迟导致不同的运作频率。为了公平的比较,在对比这3款元件的热性能时不用此演算法。EVB被配置为在425千赫的恒定频率下运行。在115 VAC输入和1A输出负载下,采集这三款元件的热资料。


表1显示了ACF EVB中驱动器的最高温度和最低温度。图3、图4和图5分别显示了在应用中运行的NCP51530、竞争元件1和竞争元件2的热图像。从热图像中可以看出,NCP 51530比两款业界标准竞争元件的散热性更好。


在425 kHz的运作频率下,NCP51530温度仅为50。C左右,竞争元件1和2的温度超过90。C,在更高的运作频率下性能差异将更加明显。这是因为电平偏移损耗是高低端驱动损耗机制中最重要的损耗机制之一。


NCP 51530极隹的热性能使它能用於高密度板。这一结果再次说明NCP51530是用於高频应用中业界性能最好的高低端驱动器。


(表1)三款元件在ACF EVB中的温度资料

编号

元件

最高温度(°C)

平均温度(°C)

1

NCP51530

52.58

49.23

2

Competitor 1

95.02

83.22

3

Competitor 2

90.95

80.26



图3 :  ACF采用NCP51530━热图像
图3 : ACF采用NCP51530━热图像

图4 :  ACF EVB采用竞争元件1━热图像
图4 : ACF EVB采用竞争元件1━热图像

图5 : ACF EVB采用竞争元件2━热图像
图5 : ACF EVB采用竞争元件2━热图像

能效比较

我们采用ZVS演算法采集了上述三款驱动器的ACF板在115 VAC、230 VAC输入和4个负载点(5 A、1 A、1.5 A和2 A) 的能效数据。数据如表2、图7和图8。


NCP51530与竞争元件在40W负载下的能效差超过1%,在更低负载下的能效差超过2%。图7和图8很好地证实此。在更低的负载点,NCP1568运作在更高的频率,如上所示,在较高的频率下,NCP51530和竞争元件之间的损耗差更大。因此在ACF EVB中,NCP 51530的性能在更低负载下比更高负载下还要好。


这是由於电平偏移和C井充放电损耗降低直接使能效得以提高。而降低电平偏移损耗的影响可直接在热资料中看到,电平偏移和C井充放电损耗的综合影响提高了系统的能效。


(表2 )115 VAC能效数据

编号

输出电流(A)

NCP51530 (%)

竞争元件1(%)

竞争元件2(%)

1

2

92.96

91.99

92.31

2

1.5

92.59

91.26

91.76

3

1

91.00

89.49

89.89

4

0.5

86.08

83.71

83.98


(表3)230 VAC能效数据

编号

输出电流(A)

NCP51530 (%)

竞争元件1(%)

竞争元件2(%)

1

2

92.53

91.57

91.36

 

2

1.5

91.37

89.91

89.94

 

3

1

88.69

86.63

86.63

 

4

0.5

83.23

78.02

78.19

 



图6 :  115 VAC输入,NCP51530对比竞争元件的能效
图6 : 115 VAC输入,NCP51530对比竞争元件的能效

图7 :  230 VAC输入,NCP51530对比竞争元件的能效
图7 : 230 VAC输入,NCP51530对比竞争元件的能效

总结

热资料和能效资料表明,NCP51530的性能比两款业界标准的元件好得多。在热资料比较中,在相同的线性和负载条件下,NCP51530的最高温度为50。C,而竞争元件的温度超过90。C。在满载条件下,使用NCP51530的ACF板比使用两款竞争元件的ACF板能效高约1%。NCP51530还具有业界最快的传播延迟,进而最隹化了ACF的运作。


结果表明,NCP51530是适用於高频应用的高性能元件。频率越高,使变压器越小,因此设计的电源板密度越高。而且NCP51530极隹的热性能使它能用於高密度板,而不增加板的热讯号。


NCP51530支援许多高频拓扑,这些高频拓扑先前需要更昂贵的驱动方案(脉冲变压器)。因此,这是一款变革的元件,有助於一个目前由於缺乏高效的高端驱动器而搁置的市场推出高频拓扑及超高密度设计。


(本文作者Dhruv Chopra为安森美半导体高级应用工程师)

叁考文献

[1] NCP51530 ON Semiconductor, http://www.onsemi.com/pub/Collateral/NCP51530-D.PDF


[2] NCP1568 ON Semiconductor, http://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id=NCP1568


[3] NCP1568 EVB, http://www.onsemi.com/PowerSolutions/evalBoard.do?id=NCP1568PD60WGEVB


[4] AN-978, International Rectifier, https://www.infineon.com/dgdl/an-978.pdf?fileId=5546d462533600a40153559f7cf21200


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