作者：得捷電子

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(shù)。隨著高壓 LED照明得到采用，許多制造商爭相生產(chǎn)并在各種應用中進行實施。雖然這種技術(shù)在光的質(zhì)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(zhàn)是繼續(xù)提高功率密度和效率，并提升可靠性和經(jīng)濟性，以滿足未來應用需求。本文將介紹寬帶隙 （GaN） 技術(shù)，以及該技術(shù)如何解決高壓 LED照明的效率和功率密度挑戰(zhàn)。文中將展示如何利用寬帶隙技術(shù)極大提高效率和功率密度，其中重點討論圖 1 所示的 LED 驅(qū)動器架構(gòu)的降壓部分。

與硅等傳統(tǒng)半導體相比，寬帶隙 （GaN）半導體可以在更高的開關(guān)頻率下工作。寬帶隙材料需要更高的能量來激發(fā)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(guān)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(guān)鍵特性使 GaN 開關(guān)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(guān)鍵特性使其成為未來照明應用的理想選擇。

圖 1 顯示了 LED 照明應用的高級架構(gòu)，它將作為應用 GaN寬帶隙技術(shù)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(fā)生器降壓部分如何利用寬帶隙技術(shù)實現(xiàn)效率和功率密度的最大化。大多數(shù)照明應用要求在寬廣的交流輸入電壓范圍內(nèi)具有高功率因數(shù)和低諧波失真。在這種情況下，最好實現(xiàn)一個PFC 升壓器來為 LED 驅(qū)動器提供干凈的 400 VDC 輸入，并滿足電源質(zhì)量要求。前端 PFC 升壓轉(zhuǎn)換器有多種選擇：轉(zhuǎn)換模式 （TM）、連續(xù)導通模式（CCM） 以及其他模式。轉(zhuǎn)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(yōu)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(zhàn)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(zhuǎn)換模式相反，連續(xù)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(zhuǎn)換模式相比，EMI 濾波器更小。這也意味著與轉(zhuǎn)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(zhàn)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(guān)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(zhuǎn)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(jù)應用的輸出功率要求，可以使用諧振式電源轉(zhuǎn)換器（LLC、LCC）或反激式轉(zhuǎn)換器。

PFC
升壓轉(zhuǎn)換器在其輸出端產(chǎn)生一個經(jīng)調(diào)節(jié)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(zhuǎn)換器級。降壓操作非常簡單。當降壓轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)接通時，電感器電壓為輸入和輸出電壓之差（VIN – VOUT）。當開關(guān)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(qū)動器的 MasterGaN 系統(tǒng)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(guān)鍵挑戰(zhàn)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(qū)動器與高電壓 GaN 晶體管結(jié)合在一個封裝中，從而解決了設計復雜性挑戰(zhàn)。利用 MasterGaN 可以輕松實現(xiàn)圖 1所示的拓撲結(jié)構(gòu)。除柵極驅(qū)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(shù)量極少。甚至連陰極負載二極管（通常用來為雙通道高壓側(cè)/低壓側(cè)半橋柵極驅(qū)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(guān)頻率或功率輸出也會提高。更具體地說，在該 LED驅(qū)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(xiàn) 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(guān)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(fā)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(guān)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(guān)實施方案是一個出色的組合。

圖 2 顯示了反相降壓拓撲結(jié)構(gòu)的基本方案，以及使用 MASTERGAN4 的實施方案。

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(qū)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(jié)構(gòu)，其規(guī)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(guān)斷時間 （FOT） CCM 模式工作，開關(guān)頻率為 70 kHz；最大輸出電流為 1 A。

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(fā)器的外部電路生成兩個互補信號，以驅(qū)動具有適當空載時間的低壓側(cè)和高壓側(cè) GaN晶體管。它還包含兩個線性穩(wěn)壓器，用以產(chǎn)生 MASTERGAN4 所需的電源電壓。利用 MASTERGAN4實現(xiàn)反相降壓拓撲結(jié)構(gòu)，這一解決方案可提高功率密度和效率，下面討論的結(jié)果就是證明。

實驗結(jié)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(tǒng)硅解決方案的效率與 LED燈串電壓的關(guān)系；很明顯，前一方案優(yōu)于后一方案。

在整個 LED 燈串電壓范圍內(nèi)，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(qū)動和開關(guān)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 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(jié)果顯示了在這種反相降壓拓撲結(jié)構(gòu)中使用 GaN 的一種可能方案。將開關(guān)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(qū)動和開關(guān)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(jù)目標應用所要求的開關(guān)頻率，可以實現(xiàn)濾波電容器和降壓電感器尺寸之間的最優(yōu)平衡。

總結(jié)

本文討論了基于 MASTERGAN4 的 LED 照明應用的反相降壓拓撲結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)。該器件采用系統(tǒng)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(qū)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(xiàn)緊湊、高效率、高功率的反相降壓拓撲結(jié)構(gòu)。