想提高高压LED照明中的效率和功率密度？上GaN技术！

作者：George Hempt

文章概述  

本文介绍了宽带隙（GaN）技术在高压LED照明中的应用，以及如何解决效率和功率密度挑战。文章重点讨论了利用GaN技术的LED驱动器架构的降压部分，展示了如何通过宽带隙技术提高效率和功率密度。文中还介绍了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晶体管结合，简化了设计并提高了功率密度。

事实证明，高压LED照明可以有效地取代高强度放电 (HID) 照明等先前技术。随着高压 LED照明得到采用，许多制造商争相生产并在各种应用中进行实施。虽然这种技术在光的质量和功率密度方面有了很大的提高，但效率已成为一个有待解决的重要问题。另外，早期应用的故障率远高于预期。高压 LED照明面临的主要挑战是继续提高功率密度和效率，并提升可靠性和经济性，以满足未来应用需求。本文将介绍宽带隙 (GaN) 技术，以及该技术如何解决高压 LED照明的效率和功率密度挑战。文中将展示如何利用宽带隙技术极大提高效率和功率密度，其中重点讨论图 1 所示的 LED驱动器架构的降压部分。

与硅等传统半导体相比，宽带隙 (GaN) 半导体可以在更高的开关频率下工作。宽带隙材料需要更高的能量来激发电子，使其从价带顶部跃迁到导带底部，以便能够在电路中使用。因此，增加带隙对器件有很大的影响（并支持使用更小的芯片来完成同样的工作）。像氮化镓 (GaN) 这样具有较大带隙的材料可以承受更强的电场。宽带隙材料的关键特性是具有高自由电子速度和更高的电子场密度。这些关键特性使 GaN 开关的速度提高多达 10 倍，尺寸也显著缩小，而电阻和击穿电压却与类似的硅元器件相同。GaN 非常适合高压 LED应用，以上关键特性使其成为未来照明应用的理想选择。

图 1：非隔离式大功率 LED驱动器的系统架构。（图片来源：STMicroelectronics）

图 1 显示了 LED照明应用的高级架构，它将作为应用 GaN 宽带隙技术的基准示例。宽带隙材料可以在整个应用中实施，但本文将重点讨论绿色标示的高压电流发生器降压部分如何利用宽带隙技术实现效率和功率密度的最大化。大多数照明应用要求在宽广的交流输入电压范围内具有高功率因数和低谐波失真。在这种情况下，最好实现一个 PFC 升压器来为 LED驱动器提供干净的 400 VDC 输入，并满足电源质量要求。前端 PFC 升压转换器有多种选择：转换模式 (TM)、连续导通模式 (CCM) 以及其他模式。转换模式的特点是变频工作，并且功率 MOSFET 导通时的切换电流为零。其他优点包括设计简单、电感器尺寸小、升压二极管无需反向恢复。主要挑战是高峰值和 RMS输入电流，这也导致随着功率的增加，需要更大的 EMI 滤波器。与转换模式相反，连续导通模式以固定频率工作。升压电感器电流除了接近零交叉点外，总是有一个平均分量。电感器针对 20-30% 纹波设计，因此与转换模式相比，EMI 滤波器更小。这也意味着与转换模式相比，同样的输出功率需要更大的升压电感器和更小的 EMI 滤波器。主要挑战是控制更复杂，并且需要超快速软恢复二极管或 SiC 二极管。因此，CCM PFC 通常比 TM PFC 更昂贵。理想情况下，在 CCM PFC 中可以使用零反向恢复开关来代替整流二极管。因此， GaN 晶体管非常适合这一应用。隔离是可选配置，可以在输入级和功率转换的第二级之间引入。此示例没有使用隔离，输入 PFC 级之后是一个带有 CC/CV 控制的非隔离式反相降压级。如果需要隔离，根据应用的输出功率要求，可以使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产生一个经调节的直流总线电压（高于输入交流电压的峰值），并将此较高直流总线电压传递给反相降压转换器级。降压操作非常简单。当降压转换器中的开关接通时，电感器电压为输入和输出电压之差 (VIN – VOUT)。当开关断开时，箝位二极管对电流进行整流，电感器电压与输出电压相同。适用于LED驱动器的 MasterGaN 系统级封装 (SiP)除了功率密度和效率之外，高压照明应用的另一个关键挑战是设计复杂性。使用宽带隙半导体（如 GaN）可以提高电路的功率密度和效率。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 晶体管结合在一个封装中，从而解决了设计复杂性挑战。利用 MasterGaN 可以轻松实现图 1 所示的拓扑结构。除栅极驱动器外，它还嵌入了两个半桥配置的 650 V GaN HEMT 晶体管。在此示例中，整个降压功率级被集成到一个 9x9 mm 的 QFN 封装中，需要的外部元器件数量极少。甚至连阴极负载二极管（通常用来为双通道高压侧/低压侧半桥栅极驱动器的隔离高压部分供电）也被嵌入到 SiP 中。因此，与标准硅解决方案相比，使用 MasterGAN器件的应用的功率密度可以得到显著增加，同时开关频率或功率输出也会提高。更具体地说，在该 LED驱动器应用中，PCB面积减少了 30%，而且没有使用散热器。对于大功率LED照明应用，CCM 是最佳工作模式。利用 GaN 器件实现 CCM 时，用户将获得前面讨论过的较高层次的好处，同时成本会降低。由于开关损耗对整体功率损耗的贡献减少，高功率应用将不需要超低 RDSON。GaN 不会发生反向恢复，因而不存在恢复损耗，并且 EMI 也会降低，这样就弥补了使用 CCM 的主要缺点。带有固定关断时间控制的 CCM 操作还使得输出电流纹波依赖 VOUT 的补偿非常容易。很明显，对于高压LED照明应用以及其他许多应用，采用 CCM 的 GaN 开关实施方案是一个出色的组合。图 2 显示了反相降压拓扑结构的基本方案，以及使用 MASTERGAN4 的实施方案。

图 2：使用MASTERGAN4 实现的反相降压拓扑结构。（图片来源：STMicroelectronics）

MASTERGAN4 嵌入了两个 225 mΩ（25°C 时的典型值）半桥配置的 650 V GaN 晶体管、一个专用半桥栅极驱动器和阴极负载二极管。这种高集成度简化了设计，9x9 mm 的小型 QFN 封装最大限度地减少了 PCB 面积。图 3 所示的评估板是用 MASTERGAN4 设计的，采用反相降压拓扑结构，其规格如下：接受高达 450 V 的输入，LED灯串的输出电压可设置为 100 V 至 370 V；以固定关断时间 (FOT) CCM 模式工作，开关频率为 70 kHz；最大输出电流为 1 A。

图 3：使用MASTERGaN4 的反相降压演示实例。（图片来源：STMicroelectronics）

该解决方案中的控制器，即 HVLED002，用于生成单一 PWM 控制信号。然后，它利用一个基于简单施密特触发器的外部电路生成两个互补信号，以驱动具有适当空载时间的低压侧和高压侧 GaN 晶体管。它还包含两个线性稳压器，用以产生 MASTERGAN4 所需的电源电压。利用 MASTERGAN4 实现反相降压拓扑结构，这一解决方案可提高功率密度和效率，下面讨论的结果就是证明。

实验结果：

图 4 中的效率曲线显示了输出电流分别为 0.5 A 和 1 A 时建议解决方案和传统硅解决方案的效率与 LED灯串电压的关系；很明显，前一方案优于后一方案。

图 4：MasterGaN和硅 MOSFET 的效率与 LED电压的关系。（图片来源：STMicroelectronics）

在整个LED灯串电压范围内，MASTERGAN4的效率保持在 96.8% 或以上。我们可以观察到，由于 GaN解决方案的传导损耗很低，并且驱动和开关损耗极小，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 的尺寸比较

表 1 比较了硅解决方案和基于 MASTERGAN4 的解决方案。如图所示，GaN 设计方案的 PCB 整体面积减少了 30% 以上。上述结果显示了在这种反相降压拓扑结构中使用 GaN 的一种可能方案。将开关频率提高到 70 kHz 以上可以减小输出电感器和电容器的尺寸，但代价是驱动和开关损耗提高。当频率更高且滤波器尺寸更小时，电解电容器可以用更可靠且更大的陶瓷电容器代替。根据目标应用所要求的开关频率，可以实现滤波电容器和降压电感器尺寸之间的最优平衡。

总结

本文讨论了基于 MASTERGAN4 的 LED照明应用的反相降压拓扑结构的实现。该器件采用系统级封装配置，具有 650 V、225 mΩ 的半桥配置GaN 晶体管和专用栅极驱动器。相较于硅解决方案，GaN 解决方案的效率更高，PCB 面积更小。MasterGaN 是用于照明应用的理想解决方案，可以实现紧凑、高效率、高功率的反相降压拓扑结构。