電動化市場趨勢的成長和電動汽車產業的擴張對電池化成和測試市場構成新的挑戰仍然是鋰離子電池量產的最大瓶頸。為了尋求因應之道，設計工程師設法提高測試設備通道密度、改善整體系統效率和降低系統成本。其中一種解決方案是氮化鎵 (GaN) 技術。本文將解釋在電池測試系統中採用 GaN如何協助提高通道密度、改善整體系統效率並降低電力成本，以藉此提高測試工廠的電池處理能力。
深入研究電池測試系統
電池測試設備在電池生產過程中對電池進行充電和放電。圖 1 顯示常見 電池測試系統的原理圖，這個系統由雙向絕緣 AC/DC 電源供應和多個精密低壓輸出測試通道組成。
圖 1：電池測試系統原理圖
大多數電池測試系統使用雙向 AC/DC 電源供應，通常包括 AC/DC 非絕緣式功率因數校正 (PFC) 級和絕緣式 DC/DC 級。這種電源供應類型有兩個主要挑戰：尺寸和效率。電源供應可佔用高達 40% 的機櫃空間，因此限縮測試設備的通道密度。切換和傳導損耗、反向復原損耗和功耗等因素會降低系統的整體效率，因而導致電費提高和電池生產成本增加。
使用圖騰柱 PFC 提高 AC/DC 階段的效率
許多高壓應用已經採用 GaN 電晶體，因為這些電晶體在功率密度、效率、切換速度和頻率方面發揮極大的效益。由於具備低終端電容，且沒有第三象限反向復原損耗，GaN 可實現金屬氧化物半導體場效應電晶體 (MOSFET) 和絕緣柵雙極電晶體無法實現的高頻硬切換拓樸，例如做為圖騰柱無橋接式 PFC 級。圖 2 比較 PFC 拓樸。
圖 2：圖騰柱 PFC 與其他常見 PFC 拓樸的比較
隨著 AC/DC 電源對更高效率的需求不斷成長，圖騰柱式 PFC 因元件數量少、損耗低和功率密度高而逐漸成為重要的 PFC 解決方案。由於 GaN 的反向復原損耗為零，因此這是可以在圖騰柱 PFC 級中採用的最佳功率電晶體。 採用 C2000 的 GaN4-kW 單相圖騰柱參考設計 顯示使用 GaN 的圖騰柱 PFC 拓樸進行實作的範例，這個拓樸以 4 kW 運作，峰值效率≥99.1%。圖騰柱 PFC 相當適合需要高效率的應用，例如伺服器電源供應、電動汽車車載充電器、測試和測量系統以及電網基礎設施。
使用 GaN 改善通道密度
相較於碳化矽 FET 或 MOSFET，GaN 可以在更小的外型尺寸下以更高的頻率工作，這對於電池測試儀中的雙向 AC/DC 電源供應特別重要，因為如此即可使用額外的機櫃空間來增加精密低壓測試通道的數量。相較於 MOSFET 解決方案，GaN 能夠將 AC/DC 級的尺寸縮小大約 50%，藉此提高大約 30% 的通道密度。在使用 LMG3522R030 GaN FET 的基於 GaN 的 6.6 kW 雙向車載充電器參考設計中，相較於類似的 SiC 參考設計，GaN 能夠以更小的外型尺寸提高功率密度和效率。採用 GaN 能夠比 SiC 高出 62% 的切換頻率，而且，相較於等效的 SiC 設計，尺寸縮小大約 60%。
由於切換頻率提高，GaN 也可以進行比 SiC 和 MOSFET 更快的充電到放電轉換 (<1 ms)。整體而言，藉由使用 GaN，您可以在完全不會影響功率密度、效率和瞬態性能下，提高工廠電池生產的處理能力。採用 GaN 有助於減少電池形成階段的瓶頸，藉此提高工廠的生產力。
提高電池測試設計的可靠性
可靠性在電池測試系統中極為重要；工廠全年運轉，因此特別需要能穩定供應的電源。GaN FET 受益於矽 FET 既有的標準可靠性測試方法，此外，也受益於專門為驗證 GaN FET 可靠性而實施的新方法。
TI 的 GaN FET 產品組合包括保護的各種內建功能，因此展現成本和可靠性效益。TI GaN 封裝由於這些特性以及超過 4000 萬小時的 可靠性測試而得以提供彈性設計。封裝中包含的一些功能包括整合式閘極驅動器、過熱報告和過電流保護選項。這些功能不需要外部電路，因此能夠節省成本。圖 3 是 LMG3422 和 LMG3522 裝置的原理圖。
圖 3：LMG3422 和 LMG3522 原理圖
將絕緣式 DC/DC 級中的功率損耗降至最低
GaN 也為工廠中的電池測試系統展現效益，這些系統正在轉向集中式大功率 AC/DC 級並執行 800 VDC 導軌。這個架構實現單級 800V 至 12V 絕緣式 DC/DC 級，藉以降低 DC 軌電壓，然後使用非絕緣式雙向降壓轉換器降壓至 0V 至 5V 以測試電池。相較於 SiC 解決方案，在 800V 至 12V 絕緣式 DC/DC 級中採用 GaN 可降低功率損耗。多個 DC/DC 轉換器可連接到 800 VDC 匯流排，具體情況取決於測試通道的數量。
結論
許多伺服器電源和電信應用已成功採用 GaN，確實提高效率和功率密度。電池測試工程師可以在設計中考量 GaN 以獲得類似的效益，藉以降低電力成本、提高通道密度，並為系統應用實現可靠的 GaN FET。
其他資源
參閱下列白皮書：
「推出達到使用壽命可靠性的 GaN 產品」。
「設計精確的多功能鋰離子電池測試解決方案」。
參閱下列技術文章：
「TI GaN FET內建驅動器與自我保護裝置，加速新一代工業電源設計發展」。
「如何設計用於各種尺寸、電壓和外型的電池測試器」。
下載使用 C2000 MCU 的雙向高密度 GaN CCM 圖騰柱 PFC 參考設計的設計文件，這項設計具有雙向性和相位遮蔽功能，可使用 LMG3410R070 GaN 功率級進一步改善效率。
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