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| | | | | | | 搬张板凳过来听课,想问一下,目前方案应用成熟了吗?还是新推广阶段?
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| | | | | 郭版主,您好!
使用氮化镓和有源箝位+同步整流技术使得反激变换器频率增加到1000KHz、体积减小而没有使效率降低,那么
1、提高频率以后对于输入EMI滤波这一块,共模电感的取值和磁芯材料的选择有什么要求吗?与之前还一样吗?如果一样的话如何减小这一块的体积,有什么好的方法?
2、1000KHz的频率对于变压器的磁芯选择有什么要求?
3、这么高的频率对于反馈环路有什么要求?431加PC817的组合还可以吗?
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| | | | | | | 可以到1M,但实际上到那么高对体积减小没有太大的帮助,理论上磁芯可以很小,但线还是要跑应该跑的电流,所以一般可以减小1-2号的磁芯,如60W一般可能用RM10的磁芯,用ACF+GaN可以用RM7或RM8。目前有很多高频磁芯可以提供,如N49, ML91,ML95
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| | | | | | | | | 郭版有对应芯片吧?里面集成驱动?能驱动ACF的两个管子吧?
可有对应datasheet?
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| | | | | | | EMI部分肯定要难过一些,一是频率高了,一是开关速度快乐,但正是因为频率高了,要压制的最低频率也低了,工模电感一般不需要很大的感量,如1-2mH。控制环路设计是一样的。
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| | | | | | | 发现回复的时候看不到帖子的内容,所以有时候要回复一个问题,然后再看一下帖子内容再回复。
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| | | | | 要跑高频,MOSFET的速度就跟不上了,要用到所谓的第三代半导体的一种:氮化镓 (GaN), 所以我们先介绍一下第三代半导体的知识。
现在会用第三代半导体设计电源的工程师很吃香,所以大家要找到更好的工作就不要只关注MOSFET了。
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| | | | | | | 第一代半导体是硅和锗,第二代以砷化镓为主,第三代目前主要是碳化硅SiC和氮化镓GaN,就是所谓的宽禁带半导体
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| | | | | | | | | 从上面看出,禁带宽度碳化硅和氮化镓基本都是硅的3倍以上,这代表了同样的长度或面积它的耐压会更强,或者同样耐压的情况下面积会更小,同样耐压和面积的情况下内阻更低。
饱和电子迁移率也都比硅大很多,代表反向回复更快,实际只有电子导电没有反向回复问题,一般认为是零,但硅里面的寄生二极管是很慢的
导热性碳化硅更好。
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| | | | xkw1cn- 积分:131263
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | | 账面性能万般好;架不过一短路啊。
硅元件好殆也有微秒级的短路耐受力,可薄膜结构的GaN如何做呐?
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| | | | | | | | | | | 指哪一方面的短路?如反激变压器次级SR管短路时初级有个很大的电流,但由于有漏感的存在上升是有速率的,控制IC可以控制,如果没有控制则最大值为管子跨导决定的最大值,既电流波形会由上升变平,只要时间短发热不大没问题。
MOSFET大部分的损坏是短路后电流很大,然后控制器关断MOS后产生一个很高的电压尖峰而损坏
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| | | | xkw1cn- 积分:131263
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | | 还有一个商业问题。象科瑞这些SiC制造商已经将SiCMOSFET下沿到650V,这样;市场上形成了与GaN高压产品重叠。
在硅基GaN沿面高失配导致成品率仍不高情况下,你对这种重叠;有啥看法?
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| | | | | | | | | | | 碳化硅可以做到650V,氮化镓也可以做到1200V,大家是互相重叠的,但伸到对方的地方价格完全没有优势,互不侵犯
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| | | | | | | | | MOSFET和GaN管子结构的区别
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MOSFET
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MOSFET结电容
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GaN(氮化镓)
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| | | | | | | | | | | 从图上可以直观看到,氮化镓是横向结构,相关电容会小很多
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| | | | | | xkw1cn- 积分:131263
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | | | | 这种模结构有很多有点,但缺点也不少。比如RDSON,远高于垂直结构。
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| | | | | | | | | | | | | | | Gan on Si 没有没有垂直结构,GaN衬底应该可以,但是成本太高。Rdson远小于垂直结构的Coolmos.
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| | | | | | | | xkw1cn- 积分:131263
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | | | | | | |
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| | | | | | | | | | | | | 从图上可以看到GaN的开关速度跟Si不是一个数量级的,开关快时即使硬开关,损耗也比硅小很多很多,因为电压电流交汇的时间少
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| | | | | | | xkw1cn- 积分:131263
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | | | | | 真要发挥极致开关速度;估计辐射都不是盖的 |
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| | | | | | xkw1cn- 积分:131263
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | | | | 由于驱动特性和寄生参数差异;仅换管子;貌似公平;实则并没有可比性。
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| | | | | | | | | | | | | | | 嗯,貌似英飞凌自己也做过对比,结果也差不多。
英飞凌也做MOS,也做氮化镓,应该对管子比较懂吧,如果它认为公平我相信大多数人还是认可的。
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| | | | | | | | | | | 郭总:请问一下氮化镓 单个脉冲能量,与连续脉冲能量,用平面MOS的驱动直接 驱氮化镓 会不会雪崩, 另外,氮化镓是只能用在软开关吗!
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| | | | | | | | | | | | | 氮化镓没有雪崩的概念,它的耐压一般可达1000V左右没问题,电压越大漏电流越大。用MOS的驱动直接驱动氮化镓会损坏它的栅极,它的栅极一般不能超过7V,所以都需要专门的驱动IC,纳微的氮化镓就是把驱动IC和氮化镓做到一起了,直接一颗晶元,外部驱动电压和MOS一样
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| | | | | | | | | 氮化镓(GaN)是没有体二极管的,反向恢复时就是本体反向导通,电压等于开启。
由于没有体二极管的少数载流子复合的问题,恢复时间一般认为是0
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| | | | | | | | | | | | | 它的结构里面没有PN节,所以也没有齐纳的概念,GaN实际上是一个双向器件,既G-S加驱动会通,G-D加驱动也会通。
当关闭时就是G-S短路,这时加反向电压就是加在G-D之间,达到开启电压(1V左右)后就导通了
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| | | | | | | | | | | 那GAN MOS是不是关断后就完全关断?不需要像Si MOS那样用两个MOS串联实现 开关功能?
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| | | | | | | | | | | | | 好问题,Gan Mos关断就是关断了,开启电压1伏多,一般最高7V,0V是确定关断的
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| | | | | | | | | | | | | GaN MOS 目前有两种结构,一种是增强型的 E-Mode, 一种是耗尽型的 D-Mode,由于耗尽型的是常开器件,所以需要下面串联MOSFET才能工作。
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左边耗尽型,右边增强型
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| | | | | | | | | 虽然没有反向恢复的问题,但压降有2V多,所以在做利用反向导通的设计时,如ACF,LLC 死区时间要尽量短,由于氮化镓的输出电容小,造成死区时间固有的可以做到很小,再加上现在的IC有自动死区时间调整,如NCP13992,所以不会影响效率
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| | | | | | | 当前期用GaN材料做吸收和开关管,跑300KHZ或以上问题应是不大,但次级的同步整流没有能跟上这速度的,特别是1GHZ,这个有什么思路和办法?
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| | | | | | | | | 1G赫兹好像没有喔,1M赫兹可能差不多,看一下MPS的6908
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| | | | | q请问郭版用的是哪家的控制ic?ti or on ?
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| | | | | 对于要未来主宰电源管子市场的新器件大家好像兴趣不大
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| | | | | | | 郭版,能推荐一款ACF的芯片吗?适合于氮化镓开关管的。
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| | | | | | xkw1cn- 积分:131263
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- 主题:37517
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | | | | 所有单片机可以实现的;都能用硬件实现!硬件只会更快更抗噪
注意!单片机也是用BUS连起的硬件!!!!!!
只要足够NB;硬件实现并不难。
最顶级的可编程玩意是CPLD和FPGA,里面就是堆硬件积木块,想做MCU就做MCU GPU、DSP。。。只要想到就能做到;并且足够快过MCU 只要你愿意。。。
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| | | | | | | | | | | | | | | 一个响应20nS的比较器多少钱 ?带20nS比较器的单片机还便宜。
有些单片机还带可编程逻辑模块,用起来当然更方便了。
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| | | | | | | | xkw1cn- 积分:131263
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- 主题:37517
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | | | | | | 那你找个0.2美刀;带20nS比较器的MCU。。。
TL712:
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | 0.2 还不知道哪里可以买到,MCU 2块RMB。
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| | | xkw1cn- 积分:131263
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- 主题:37517
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | 兴趣很大;只是不认可“主宰” |
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| | | | | xkw1cn- 积分:131263
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- 主题:37517
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | | | 觜硬没用。先把成品率提到99.6%再说。
MOSFET总共六层掩膜足以。你这GaN打几层?
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| | | | | | | | | 从发展趋势看,主宰是必然的,超节已经接近物理极限了,英飞凌自己也刚刚推出了氮化镓产品,价格现在其实比C7的管子贵一点点,随着量的上升价格必然大幅下降。
但如果单纯代替MOS意义不大,不能发挥管子的高频优势,所以需要新的拓扑,高频低损耗磁芯,极细的利兹线或平面变压器,超快二极管等配合
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| | | | | | | | | | | 郭工真知灼见,都说到点子上了,其中超快二极管是否可以直接用GS短路的GaN实现?
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| | | | | | | | | | | | | 可以用,但不经济。氮化镓和碳化硅都可以做二极管,性能也差不多,但氮化镓发展的早,二极管已经很成熟,所以现在也没人发展氮化镓的二极管了。
由于氮化镓的速度很快,实测有发现过超过200V/ns,有些二极管的速度跟不上也会坏掉
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| | | | | | | | | | | | | | | 这个必然会让大家用GaN做同步,技术成熟后就是一个芯片的问题。
最终目标是最高效率,最低成本。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | 目前做的比较多的是小功率的ACF,中功率的LLC,这两个拓扑都比较好,PFC用QR的好一些
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| | | | | | | | | | | | | | | | | | | PFC这块我觉得短时间内估计QR会是主流,其它方式控制短板太多。
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| | | | | | | 郭版,现在PI公司有InnoGaN系列的芯片了吗?官网上没有找到啊 |
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| | | | | 上面介绍了氮化镓的管子,下面介绍一下拓扑
QR是大家小功率电源最常用的反激拓扑,但并不适合做高频。
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| | | | | | | 初级嵌位电路和次级管子的RC吸收都消耗能量,高压输入时不能实现完全的ZVS,此时有开通损耗。
上面的损耗都是随着频率而增加的,无法实现高频操作,不能高频变压器就小不了,体积就下不来
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| | | | | | | 那DCM合适吗?
DCM控制简单,在控制上容易实现,其它方面不知道会有什么问题?
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| | | xkw1cn- 积分:131263
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- 主题:37517
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | 一个零电压过渡过程;让GaN优势死一半
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| | | | | | | | | 许版主,为啥说零电压过渡工程会让GaN失去优势呢?因为过渡时间长而无法提高频率吗
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| | | | | xkw1cn- 积分:131263
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- 主题:37517
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | | | 这种反激拓扑工作分三段:储能、释能、LC二阶过渡到谷底。
LC中;C包含FET的Coss和变压器一、二次寄生电容,频率提高后;LC份额被提高,有效能量传唤的储能和释能时间比例下降;元件整体利用率下降,同功率下的电流有效值就会上升。
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| | | | | | | | | 一个是ACF的过渡过程,一个是QR的过渡过程。
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ACF
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QR
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| | | | | | | | | | | 这是Vds的波形,ACF非常漂亮,没有任何震荡,QR大家很清楚。
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| | | | | | | 郭版,ACF变压器的设计与传统的硬开关反激变压器设计一样吗
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| | | | | | | | | 差不太多,但也有些不一样,ACF变压器是双向磁化的,但为了效率一般控制负向电流
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| | | | | | | | | | | 控制负向电流是为了使负的电流值恰好能将开关管漏极电压释放到零吗?负向电流太小不足以使开关管漏极电压变到零,势必增加开通时的开关损耗,如果负的电流太大会怎么样呢?
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| | | | | | | | | | | 郭老师能不能详细讲讲ACF变压器计算方法或者与普通反激变压器计算时特殊的点
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| | | xkw1cn- 积分:131263
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- 主题:37517
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | 这种零电压过程;让变压器寄生电容与漏感的矛盾更加突出。。。 |
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| | | | | | | | | | | 绿色为变压器初级的电流波形,黄色为Vds,红色为次级SR管的Vds,各个波形都很圆滑漂亮,绿色的下弯部分是漏感和初级或次级谐振电容谐振造成的。
看起来是个完美的拓扑,可实现初级两个管子的ZVS和次级同步整流管的ZCS。
附一张次级SR管的电流波形,蓝色。
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| | | | | | xkw1cn- 积分:131263
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- 主题:37517
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | | | | |
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| | | | | | | | | | | | | | | 就是靠馈能实现软开关,所以ZVS的实现是靠这个能量对节电容近似线性放电,不是LC自由震荡,所以时间很短,能实现高频开关。
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| | | | | | xkw1cn- 积分:131263
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- 主题:37517
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- 帖子:55603
积分:131263 版主 | | | | | | | 这种环流;虽然能达到零电压开关,但也增加了电流有效值。二次二极管反向恢复电荷对馈能有较大影响。
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| | | | | | | | | | | | | | | 控制电路的作用就是通过变频来控制负向电流的大小,让它刚好实现ZVS,二次二极管是零电流关断,没有反向恢复问题。
几乎是个完美的拓扑。
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| | | | | GaN的驱动要求很严,因为其开启门槛电压很低:1-2V之间,而最高驱动电压又不高:<7V,合适的驱动电压在5-7V,不想普通MOS可以+/-20V以上
所以驱动的设计是个难点
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| | | | | | | 分离驱动由于布板的原因有个很大的驱动环路存在,而氮化镓的输入电容又很小,开关速度又很快,很容易在G-S端引起震荡,使管子意外导通或关断,造成电路炸机,加阻尼电阻有降低了电路的速度并且实际效果受布板影响
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分离驱动较大的环路
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不加阻尼电阻引起问题
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| | | | | | | | | 针对这种不易于使用的情况,纳微科技推出了集成驱动的GaN IC,等效为驱动器+GaN管子,但实际上是集成到一个IC上面,驱动电路是用GaN做的,大大简化了GaN的应用。有单管和半桥(ACF,LLC)两种封装
GaN IC
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驱动干净,速度快10倍
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| | | | | | | | | >>>氮化镓的输入电容又很小,开关速度又很快,很容易在G-S端引起震荡,
<<< 是输入电容小容易震荡 还是输入电容大容易震荡 ??
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| | | | | P7系列的MOSFET也可以做ACF,平均效率比GaN大概低1个点(需要大一些的反向电流);OnSemi的ACF量产芯片NCP1568也快出来了
台达的子公司已经搞出来60W的适配器: http://www.myinnergie.com/sg/product/136
ACF要两只开关管+高边驱动,共模小一些会便宜一点,变压器也能省一点,但省不了增加的那么多,成本上干不过传统QR。
高端场合很有优势,血拼价格的地方应该还是QR统治。
GaN和SiC的优势在新拓扑Totem Pole Bridgeless PFC里面更突出,体二极管的Qrr高的超结MOSFET完全不能用。
TI也有集成驱动的GaN,但目前卖得最多的好像还是Transphorm的插件GaN,台达的服务器电源已经商用了。
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| | | | | | | 说的没错
但纳微的GaN是单晶元的,其他家只是把驱动器和GaN封装到一起,可靠性上还是有很大区别的。
台达那个60W有人拆解过,是COOLMOS的,不是GaN的。
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| | | | | | | | | 打听了一下,台达那个是coolmos,原来准备上GaN,后来嫌贵没用。。。
而且有人说台达那个是QR,不是ACF,自己没拆,不清楚。
GaN要是成本下来了,绝对以后小功率的趋势,尤其是1MHz以上开关频率成主流之后。
SiC主要面向高压、大功率市场,捞过界未必有优势,而且现在电动车市场抢SiC都抢疯了,到处缺货、没法玩。。。
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| | | | | | | | | | | 也不是没用,生产了500台。台达的就是QR,不得不承认结构很巧妙,性能指标很多人都测过,就不说了
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| | | | | | | 轮价格确实QR便宜,用平面变压器降低漏感后可以做高频QR可能更好。
无桥图腾柱是GaN最好的一个应用市场,可以做CCM图腾柱,以前由于MOS的体二极管反向恢复问题都是做CRM的无桥,功率上不去
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| | | | | | | | | 现在觉得小功率的电源,GaN没法玩,成本是普通MOS的十倍以上,只有高功率高密度的有市场。
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| | | | | | | | | | | 不知你怎么得到的这个结论,其实GaN的价格同样封装只比英飞凌coolmos贵50%左右
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| | | | | | | | | 郭版主您好,我现在有一个想法,如果采用ACF控制芯片+单片navitas GaN去做无源钳位反激,利用PWML控制原边主开关管,PWMH控制副边的管子。通过检测原边主开关管的Vsw,控制副边管子的开通时间(比QR更长),从而产生负电流抽走原边开关的电荷,实现原边的ZVS。这样相比QR实现了ZVS,频率也可以往上提,相比ACF省下了一个GaN。然后尽量把变压器漏感缩小,减小吸收回路的损耗。
能不能简单谈谈您的看法,您觉得这样的尝试对市场来说会有意义吗?
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| | | | | | | | | | | 楼上朋友好,这个想法问题有二
1、ACF目的是为减小漏感带来的损耗。
2、从原边驱动到副边有较大的难度。
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| | | | | | | | | | | | | 是的
1.对变压器漏感稍加控制,漏感的损耗在1%以内。效率肯定是要低于ACF,但是要高于QR.
2. 原边到副边需要加一个隔离驱动。总的来说,相比ACF多了一个隔离驱动,少了一个GaN,少了一个同步驱动。
相比QR,换了控制芯片,同步驱动换成了隔离驱动。
不知道各位还有什么看法?
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| | | | | | | | | | | 想法很好,你可以尝试,TI好像有对应的芯片,但这个只实现了ZVS,不能利用漏感的能量
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| | | | | | | 问老郭千百遍就是没样片,上淘宝30块一片,还是淘宝实在。
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| | | | | | | 左边是早期的结构,右边目前是主流吧,我也不好评价别人产品的好坏。
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| | | | | 请教郭版主个问题,
GAN 在LLC中的应用优势在哪儿?
尤其针对服务器电源时,同步整流的功率管如何选择?也用GAN FET匹配原边的高压GAN 还是用Si MOSFET,如果用Si MOS,LLC 工作频率是否受限,GAN的优势怎么体现? |
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| | | | | | | 优势是节电容小,死区时间很短,可以跑高频,如果死区时间长,高频时实际有效占空比会比50%小很多,这样有效值就高了,还有节电容小要求的励磁电流就小,也可以提高效率。
SR管子如果500K左右还可以用硅管,如果再高可以用GaN的管子
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| | | | | | | | | 谢谢版主的回复,进一步讨论的话,1. 那是不是可以理解为相对于以前LLC较之硬开关拓扑在软开关方面的优势将在开关频率提高之后显得不再那么明显了
2. LLC死区设置的很小的话,GAN devices 在LLC轻载输出时体现的优势更大
3. 100V的GAN FET有什么可以推荐的吗
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| | | | | | | | | | | 频率提高后优势是更明显,比MOS的LLC效率更高。轻载都是butst mode,没有影响,主要是满载提高效率
100V的GaN我们目前没有
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| | | | | 郭版主你好,请教一个问题,视频中说要达到次级谐振的目的,Co/n^2<<Cr,但看到ti和納微的参数,Co=66uf,Cr=0.44uf,取n=Np/Ns=5.5,Co/n^2=2.2uf,>>Cr了,这是怎么回事呢,我是哪里理解错了
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| | | | | | | | | 图片分别是ti和纳微的demo原理图截图,红圈部分的电容量都是66uf
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纳微
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TI
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| | | | | | | | | | | | | | | 哎,电源做到底就是器件,我讲的是理论性的,这个是实际的。如果你以前听过我的演讲就不会有疑问了。
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| | | | | | | | | | | | | | | | | 谢谢您的回复。我看了您的演讲,但是没想是利用了电容的特性达到二次谐振的目的,还以为只是应用注意事项。
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| | | | | 最近有看到不对称半桥反激变换器,即结合了不对称半桥和反激变换器的优点,可实现更宽范围的软开关,想问下郭版主,这个拓扑是不是更适合GaN的应用呢? |
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