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變革的700 V高頻、高低端驅動器實現超高功率密度
 

【作者: Dhruv Chopra】   2019年02月22日 星期五

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為了使現代電源更緊湊和高效,電源設計人員越來越傾向選用高頻應用。開關電源採用高頻工作可以縮小變壓器的尺寸,進而增加電源的功率密度。高頻工作也有助於改善電源的電磁干擾(Electro-Magnetic Interference;EMI)訊號,減少EMI元件數。因此,世界各地的電源設計人員都在研究高頻應用。


然而,在實現高頻電源方面存在一些障礙。功率開關、變壓器鐵芯材料、漏電損耗和開關損耗是阻礙大規模應用高頻電源的一些障礙。隨著氮化鎵(GaN)/碳化矽(SiC)技術的出現和MOSFET技術的不斷發展,功率開關似乎開始適用於高頻電源。同樣,變壓器鐵芯材料製造商也在不懈地努力創新高頻鐵芯材料。


零電壓開關(Zero voltage switching ;ZVS)拓撲可以減少與功率開關相關的開關損耗。常用的ZVS拓撲如LLC、半橋轉換器、全橋轉換器、主動鉗位返馳式、雙開關順向式轉換器等。需要低、高端驅動器來實現緩衝和電平位移的功能。這些元件可以驅動高端MOSFET的門極,其原始節點為動態變化的節點。


有與功率開關驅動器相關的固有損耗。在LLC、半/全橋轉換器等具有圖騰柱結構的功率開關中,高端驅動器的電平偏移損耗很大。頻率越高,這些損耗就越嚴重。


NCP51530特性

安森美半導體的NCP51530[1] 是700 V、高、低端驅動器,用於AC-DC電源和變換器,提供高頻工作下同類最佳的傳播延遲、低靜態電流和開關電流。NCP51530具有業界最低的電平偏移損耗。因此該元件使電源能在高頻下執行高能效工作。


NCP51530有A/B兩個版本。NCP51530A具有典型的50 ns傳播延遲,而NCP51530B有25 ns傳播延遲。NCP51530採用SOIC8和DFN10封裝。其SOIC8封裝接腳對接腳與業界標準的方案相容。


NCP51530有兩個獨立的輸入接腳:HIN和LIN,使其能用於各種不同的應用。


該元件還包括的特性有,在浮動輸入的情況下,邏輯仍然是固定的。驅動輸入與CMOS和TTL邏輯相容,因此它易於與類比和數位控制器的介面。NCP51530具有高、低端驅動的欠壓鎖定(under voltage lock out)功能,確保在正確的VCC和VB電壓水準上運作。NCP51530的輸出級具有3.5A/3A電流源/汲電流能力,可在10 ns內對1 nF負載高效地充放電。


NCP51530主動鉗位返馳式應用

主動鉗位返馳式 (ACF)是經典返馳式拓撲的一個變體,它是運用儲存在寄生元件中的能量實現ZVS,而不是透過消耗緩衝電路中的功率。主動鉗位產生的波形通常沒有尖峰,因此比傳統技術更好的抗電磁干擾(EMI)。ZVS特性支援電源轉換器在高頻工作,同時實現高能效。


安森美半導體的NCP1568 [2] 是高整合度的AC-DC 脈寬調變(Pulse Width Modulation;PWM)控制器,用於實施主動鉗位返馳式拓撲。NCP 1568採用專有的變頻演算法,實現超結合面(Super?Junction)或GaN FET在各種線性、負載和輸出條件下的零電壓開關(ZVS)。ZVS特性透過提高工作頻率來提高電源轉換器的功率密度,同時實現高能效。


為了最大限度地減少ACF應用中的功率損耗,當負載和輸入電壓發生變化時,工作頻率需要改變,使附加循環電流保持在最小。對於超接合面FET,ZVS所需的負電流通常為?0.5A。透過調節振盪器的頻率,直到SW節點的下降時間被調製成在線性和負載條件下的預定死區時間為止,進而以數位化方式保持負磁化電流相對恒定。


在NCP1568中建立時間基準,並根據轉換和實現ZVS所需的時間累積錯誤訊號。如果開關節點的轉換速度快,且ZVS發生在基準時間之前,那麼就有綽綽有餘的能量快速重置節點,因此應該降低工作頻率或減少關閉時間。


如果開關節點ZVS剛好在基準時間發生,則不需要調節頻率。如果ZVS發生在基準時間後,頻率太高,需要降低以確保好的ZVS。



圖1 :  ACF採用NCP51530和NCP1568
圖1 : ACF採用NCP51530和NCP1568

正如預期,在具有快速傳播延遲的高端驅動器中採用該演算法,工作會更高效。具有較慢傳播延遲的驅動器使用該演算法,將導致比更快傳播延遲驅動器更低的工作頻率,使整個系統不那麼高能效,損耗更大。NCP 51530是業界最快的高低端驅動器,完美地實現這一功能。


使用NCP1568和NCP51530的ACF板頂層原理圖如圖1所示。該原理圖用於60W、通用輸入、20 V輸出電源的應用。該電源採用安森美半導體的NCP1568 PWM控制器、NCP 51530高低端驅動器、NCP 4305 同步整流(SR)控制器和FDMS 86202 SR FET。這是變頻的,ACF工作頻率範圍從200千赫到400千赫。典型的ACF波形如圖2所示。



圖2 : 主動鉗位返馳式(BLUE-SWNODE;YELLOW-LDRV;GREEN-HDRV)
圖2 : 主動鉗位返馳式(BLUE-SWNODE;YELLOW-LDRV;GREEN-HDRV)

計算NCP51530的損耗

在這一部分中,我們使用NCP1568計算NCP51530在ACF應用中的功率功耗。驅動器的總功率損耗可大致分為靜態功率損耗和動態功率損耗 [4] 。靜態功率損耗是由元件運行所需的偏置電流(bias current)造成的。動態損耗是由於元件的開關特性造成的。動態損耗又可分為外部FET閘極的充放電損耗和電平偏移電容的充放電損耗。


NCP51530的總功率損耗可按以下步驟逐步計算。


在以適當頻率開關時,元件的靜態功率損耗(不包括驅動器)

P(operating)=V(boot)*I(BO)+V(CC)*I(CCO)


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


IBO是高端驅動器的運作電流


ICCO是低端驅動器的運作電流


驅動外部FET的功率損耗

這一損耗是由於外部FET的閘極電容器充放電造成的。因為在這個ACF應用中,只有一個外部FET是由NCP 51530驅動的,所以我們只考慮了驅動一個MOSFET的功率損耗。


如果NCP51530用於驅動高、低端FET,則必須包括兩個外部MOSFET閘極的充放電功率損耗。


Pdrivers=((Qgs*Vboot ))*f


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


Qgs是MOSFET的閘極電荷


Vboot是高端偏置電源電壓


f是運作頻率


電平偏移損耗 [4]

當高端開關關閉時,它會使電流流入電平偏移電路,為ldmos1電容充電。該電流從高壓母線流過功率元件和自舉電容器。另一方面,當高端開關接通時,會使電流從VCC流經自舉二極體進入電平偏移電路。


P(levelshifting=(Vsw+Vboot)*Qls* f


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


Vsw是軌道電壓


Qls是電平偏移電路的基板電荷


Vboot是高端偏置電壓


f是運作頻率


P井電容的充放電損耗

在半橋式功率電路中,每當開關節點在軌道和接地電平之間擺動時,井電容就會被充電和放電。這充電電流由高壓軌提供。這電流的放電路徑是流經低端元件和epi電阻。大部分損耗發生在高低端驅動器之外,因為epi電阻比內部元件電阻小得多。因此,這些損耗不計入高低端驅動器內部的損耗。


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


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


Vsw是軌道電壓


QCwell 是開關節點電容井的基板電荷


f是運作頻率


總功率損耗

驅動器的總功率損耗為驅動損耗、靜態損耗和電平偏移損耗之和。這裡不考慮由於井電容Cwell的充放電造成的損耗,因為大部分損耗都在MOSFET內部,而不在驅動器。但這些損耗會影響系統能效。


Ptotal


=Pdrivers+Poperating +Psub>levelshifting


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


接合面溫度升高

tj=RθJA*Ptotal=183*0.117=21.5°C


Tj是接合面溫度


RθJA 是熱阻


P total是元件的總功率損耗


與競爭元件的比較

我們選擇了兩款競爭對手的元件作比較,這兩款元件是業界標準的元件,與NCP51530一樣用於類似的應用並採用與NCP51530相同的封裝。都與NCP51530一樣採用相同的主動鉗位返馳式EVB裝置進行測試。在完全相同的條件下,對這三款驅動IC的熱資料進行了兩兩比較,並分別比較了採用這三款驅動ICACF板的能效。


熱結果

NCP1568在所有條件下使用專有的變頻演算法實現ZVS。如上所述,在相同的負載條件下,這3款驅動器的不同傳播延遲導致不同的運作頻率。為了公平的比較,在對比這3款元件的熱性能時不用此演算法。EVB被配置為在425千赫的恆定頻率下運行。在115 VAC輸入和1A輸出負載下,採集這三款元件的熱資料。


表1顯示了ACF EVB中驅動器的最高溫度和最低溫度。圖3、圖4和圖5分別顯示了在應用中運行的NCP51530、競爭元件1和競爭元件2的熱圖像。從熱圖像中可以看出,NCP 51530比兩款業界標準競爭元件的散熱性更好。


在425 kHz的運作頻率下,NCP51530溫度僅為50°C左右,競爭元件1和2的溫度超過90°C,在更高的運作頻率下性能差異將更加明顯。這是因為電平偏移損耗是高低端驅動損耗機制中最重要的損耗機制之一。


NCP 51530極佳的熱性能使它能用於高密度板。這一結果再次說明NCP51530是用於高頻應用中業界性能最好的高低端驅動器。


(表1)三款元件在ACF EVB中的溫度資料

編號

元件

最高溫度(°C)

平均溫度(°C)

1

NCP51530

52.58

49.23

2

Competitor 1

95.02

83.22

3

Competitor 2

90.95

80.26



圖3 :  ACF採用NCP51530-熱圖像
圖3 : ACF採用NCP51530-熱圖像

圖4 :  ACF EVB採用競爭元件1-熱圖像
圖4 : ACF EVB採用競爭元件1-熱圖像

圖5 : ACF EVB採用競爭元件2-熱圖像
圖5 : ACF EVB採用競爭元件2-熱圖像

能效比較

我們採用ZVS演算法採集了上述三款驅動器的ACF板在115 VAC、230 VAC輸入和4個負載點(5 A、1 A、1.5 A和2 A) 的能效數據。數據如表2、圖7和圖8。


NCP51530與競爭元件在40W負載下的能效差超過1%,在更低負載下的能效差超過2%。圖7和圖8很好地證實此。在更低的負載點,NCP1568運作在更高的頻率,如上所示,在較高的頻率下,NCP51530和競爭元件之間的損耗差更大。因此在ACF EVB中,NCP 51530的性能在更低負載下比更高負載下還要好。


這是由於電平偏移和C井充放電損耗降低直接使能效得以提高。而降低電平偏移損耗的影響可直接在熱資料中看到,電平偏移和C井充放電損耗的綜合影響提高了系統的能效。


(表2 )115 VAC能效數據

編號

輸出電流(A)

NCP51530 (%)

競爭元件1(%)

競爭元件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能效數據

編號

輸出電流(A)

NCP51530 (%)

競爭元件1(%)

競爭元件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

?



圖6 :  115 VAC輸入,NCP51530對比競爭元件的能效
圖6 : 115 VAC輸入,NCP51530對比競爭元件的能效

圖7 :  230 VAC輸入,NCP51530對比競爭元件的能效
圖7 : 230 VAC輸入,NCP51530對比競爭元件的能效

總結

熱資料和能效資料表明,NCP51530的性能比兩款業界標準的元件好得多。在熱資料比較中,在相同的線性和負載條件下,NCP51530的最高溫度為50°C,而競爭元件的溫度超過90°C。在滿載條件下,使用NCP51530的ACF板比使用兩款競爭元件的ACF板能效高約1%。NCP51530還具有業界最快的傳播延遲,進而最佳化了ACF的運作。


結果表明,NCP51530是適用於高頻應用的高性能元件。頻率越高,使變壓器越小,因此設計的電源板密度越高。而且NCP51530極佳的熱性能使它能用於高密度板,而不增加板的熱訊號。


NCP51530支援許多高頻拓撲,這些高頻拓撲先前需要更昂貴的驅動方案(脈衝變壓器)。因此,這是一款變革的元件,有助於一個目前由於缺乏高效的高端驅動器而擱置的市場推出高頻拓撲及超高密度設計。


(本文作者Dhruv Chopra為安森美半導體高級應用工程師)

參考文獻

[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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