作者：德州儀器 Cody Watkins
氮化鎵 (GaN) 場效應電晶體 (FET) 分別提供比碳化矽和矽基 FET 顯著改善的開關損耗和更高的功率密度。這些特性在數位電源轉換器等高切換頻率應用中特別實用，有助於縮小磁性元件的尺寸。
電力電子產業的設計人員需要新技術和方法來提高 GaN 系統的性能。C2000
即時微控制器 (MCU) 有助於解決使用 GaN 技術開發現代電源轉換系統時面臨的設計挑戰。
C2000 即時 MCU 的效益
C2000 MCU 之類的數位控制器所達到的適應性有利於複雜的拓撲結構和控制演算法，例如零電壓開關、零電流開關或具備混合磁滯控制的電感器 - 電感器 - 電容器 - 諧振 DC/DC 電源。
C2000 MCU 可達到下列效益：
- 嚴格時間要求的複雜運算處理。C2000 MCU 具備進階指令集，可顯著減少複雜數學運算所需的週期數。這種運算時間的減少能夠在不增加 MCU 工作頻率的情況下增加控制環路頻率。
- 精確控制。C2000 MCU 中的高解析度脈衝寬度調變器 (PWM) 可達到 150 ps 的解析度，而內建類比比較器和可配置邏輯區塊能夠安全處理錯誤情況。
- 軟體和週邊設備的可擴展性。隨著系統要求不斷變化，C2000 平台支援即時 MCU 功能的向上或向下擴展，同時維護軟體投資，達到加速上市時間的效果。例如，TMS320F280025C 之類的低成本 C2000 MCU 可在小型伺服器電源中達到即時處理和控制，同時維持與 TMS320F28379D 的程式碼相容性，TMS320F28379D 是高頻多相系統中的常用裝置。
使用 C2000 MCU 因應 GaN 開關挑戰
正如前文所述，驅動更高的切換頻率可以縮小開關轉換器中磁性元件的尺寸，不過這種縮小會帶來許多控制挑戰。例如，在圖騰柱功率因數校正拓撲中，縮小電感器的尺寸會導致零交越點的電流尖峰增加，而且也會增加無感帶引起的第三象限損耗。這些效應相結合會增加總諧波失真 (THD) 並降低效率。
為了解決這些問題，C2000 即時 MCU 具備多功能型 PWM，藉以啟用軟啟動演算法，確實消除電流尖峰並達到較佳的 THD。C2000 MCU 也具備擴展指令集、浮點單元和三角數學單元，可以大幅減少運算 PWM 啟動時間之類的參數所需的時間。這種時間減少也會增加控制環路頻率，這可結合 PWM 的 150 ps 解析度減少第三象限損耗。
使用 TI GaN 技術連接 C2000 MCU
C2000 MCU、數位隔離裝置和 GaN FET 都是連接裝置所必需的裝置，如圖 1 所示。
圖 1：連接 C2000 MCU、數位隔離器和 600V GaN FET
強化型數位隔離器有助於抑制瞬態雜訊並保護 C2000 MCU。C2000 MCU 使用高解析度 PWM 和可配置邏輯區塊以及強化型擷取模組提供精確的控制輸出，藉以擷取 GaN FET 的所有安全、溫度和錯誤報告功能，完全不需要使用外部膠合邏輯。600V GaN FET 中的整合式驅動器可減少電感器振鈴引起的系統設計問題。結合這些裝置便不需要外部零組件，因此降低整體成本。
結論
TI C2000 即時 MCU 和 GaN FET 協同運作，為現代數位電源系統提供彈性且簡易的解決方案，同時提供支援功率密集和高效率數位電源系統的先進功能。經過全面測試而且資訊完備的參考設計有助於加快開發高效率和高密度數位電源系統。
其它資源
- 參閱白皮書 透過結合 TI GaN FET 和 C2000 即時 MCU 達到高功率密度和高效率的數位電源系統
- 參閱白皮書 瞭解 C2000 即時 MCU 和 GaN FET 如何共同因應功率密度挑戰。
- 檢視這些參考設計 使用 C2000 MCU 的雙向高密度 GaN CCM 圖騰柱 PFC。
- 參閱應用報告「GaN 是否有本體二極體？– 瞭解 GaN 的第三象限運作。」
- 參加 TI 訓練「C2000 可配置邏輯區塊 (CLB) 簡介」
- 參閱技術文章「具備整合式驅動器和自我保護功能的 GaN FET 如何實現新世代工業電源設計」中深入瞭解 TI GaN FET 進階功能。
