使用氮化鎵(GaN)提高電源效率

如今，越來越多的設(shè)計(jì)者在各種應(yīng)用中使用基于氮化鎵的反激式ac/dc電源。氮化鎵之所以很重要，是由于其有助于提高功率晶體管的效率，從而減小電源尺寸，降低工作溫度。

晶體管無論是由硅還是由氮化鎵制成，都不是理想的器件，使其效率下降的兩個(gè)主要因素（在一個(gè)簡化模型中）：一個(gè)是串聯(lián)阻抗，稱為r_ds(on)，另一個(gè)是并聯(lián)電容，稱為coss。這兩個(gè)晶體管參數(shù)限制了電源的性能。氮化鎵是一種新技術(shù)，設(shè)計(jì)者可以用它來降低由于晶體管特性的不同而對(duì)電源性能產(chǎn)生的影響。在所有晶體管中，隨著r_ds(on)的減小，管芯尺寸會(huì)增加，這會(huì)導(dǎo)致寄生coss也隨之增加。在氮化鎵晶體管中，coss的增加與rds(on)的減少之比要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

r_ds(on)是開關(guān)接通時(shí)的電阻，它造成導(dǎo)通損耗。coss的功率損耗等于cv²/2（見圖1）。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，coss通過r_ds(on)放電，導(dǎo)致導(dǎo)通損耗。導(dǎo)通損耗等于(cv²/2) x f，其中f是開關(guān)頻率。用氮化鎵開關(guān)替換硅開關(guān)會(huì)降低r_ds(on)和c_oss的值，能夠設(shè)計(jì)出更高效的電源，或?qū)崿F(xiàn)在更高頻率下工作，而對(duì)效率的影響較小，這有助于縮小變壓器的尺寸。

圖1 初級(jí)功率開關(guān)中的寄生電容

氮化鎵如何降低導(dǎo)通和開關(guān)損耗

我們談到了增加晶體管尺寸的后果：隨著晶體管變大，RDS(ON)會(huì)減小。這沒有問題。然而，隨著晶體管變大，（顯然）面積會(huì)更大，因此寄生電容C_OSS也會(huì)增加。這不是好事。最佳的晶體管尺寸應(yīng)使R_DS(ON)和COSS的組合最小化。該點(diǎn)通常位于降低R_DS(ON)損耗的曲線與增加COSS損耗的曲線的相交處。當(dāng)曲線相交時(shí)，電阻和電容損耗的組合最低（見圖2）。

圖2 硅MOSFET中的功率損耗相對(duì)于器件尺寸的簡化示意圖

除了總R_DS(ON)之外，還有一個(gè)名為“特定R_DS(ON)”的參數(shù)，該參數(shù)將總導(dǎo)通電阻與管芯單位面積相關(guān)聯(lián)。與硅相比，氮化鎵具有非常低的特定R_DS(ON)，因此開關(guān)更小，并且C_OSS也更低。這意味著更小的氮化鎵器件可以處理與更大的硅器件相同的功率水平。

圖3 相較于硅MOSFET，氮化鎵器件的總損耗更低

較低的R_DS(ON)和較小的COSS損耗相結(jié)合，可以使用氮化鎵設(shè)計(jì)出更高效率的電源，從而減少散熱。所需耗散熱量的降低也有助于縮小電源尺寸。頻率是設(shè)計(jì)者可以用來減小尺寸和優(yōu)化使用氮化鎵的電源性能的另一個(gè)手段。由于氮化鎵本質(zhì)上比硅更高效，因此有可能提高基于氮化鎵的電源的開關(guān)頻率。雖然這會(huì)增加損耗，但它們?nèi)詴?huì)顯著低于硅MOSFET的損耗，并減小變壓器的尺寸。

變壓器結(jié)構(gòu)的實(shí)際限制和電路中的寄生元件限制了開關(guān)頻率可以有效地提高到何種程度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)于額定功率為≤100W的基于氮化鎵的反激式適配器來說，能夠提供效率、尺寸和低成本的最佳組合的開關(guān)頻率可以低于100kHz。對(duì)于氮化鎵而言，限制因素不是開關(guān)速度。隨著COSS的大幅減小，設(shè)計(jì)者有了更大的靈活性，可以針對(duì)損耗優(yōu)化開關(guān)頻率，達(dá)成一個(gè)卓越的解決方案。

利用氮化鎵提高電源效率

電源效率的提高究竟是如何實(shí)現(xiàn)的呢？舉例來說，對(duì)于一個(gè)使用硅MOSFET的65W反激式適配器，其效率曲線在10%負(fù)載下處于約85%的范圍內(nèi)，在滿載時(shí)將達(dá)到90%以上（見圖4）。而一個(gè)使用Power Integrations (PI)公司基于氮化鎵的InnoSwitch?器件的65W反激式適配器，其效率在10%負(fù)載下將約為88%。在滿載時(shí)，這款氮化鎵設(shè)計(jì)的效率將達(dá)到約94%。假如用氮化鎵器件取代硅MOSFET，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)將可實(shí)現(xiàn)約3%的效率改進(jìn)。

圖4 碳化硅與氮化鎵適配器在滿載時(shí)的效率比較

效率提高3%相當(dāng)于損耗減少至少35%。氮化鎵設(shè)計(jì)的能耗更少，產(chǎn)生的熱量減少35%。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)槌跫?jí)功率開關(guān)通常是傳統(tǒng)電源中最熱的元件。氮化鎵的散熱需求也會(huì)下降。電源體積將會(huì)更小，重量更輕，也更便攜，并且由于元件的溫度較低，電源的工作溫度將更低，擁有更長的使用壽命。

如何使用氮化鎵晶體管進(jìn)行設(shè)計(jì)

在功率變換器設(shè)計(jì)中，分立的氮化鎵晶體管不能用作硅器件的直接替代品。氮化鎵晶體管的驅(qū)動(dòng)更具挑戰(zhàn)性，尤其是在驅(qū)動(dòng)電路距晶體管有一定距離的情況下。氮化鎵器件的導(dǎo)通速度非?？?，如果沒有精心優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路，這可能會(huì)導(dǎo)致電磁干擾甚至破壞性振蕩的嚴(yán)重問題。氮化鎵器件通常是處于“常開”的狀態(tài)，這對(duì)于功率開關(guān)來說并不理想，因此分立的氮化鎵開關(guān)通常與一個(gè)共源共柵排列的低壓硅晶體管搭配一起工作。

為了幫助客戶實(shí)現(xiàn)可靠耐用的設(shè)計(jì)并加快產(chǎn)品上市時(shí)間，PI推出了InnoSwitch3產(chǎn)品系列。這些高度集成的反激式開關(guān)IC已內(nèi)置用于氮化鎵初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)同步整流管的控制器。InnoSwitch3 IC具有低空載功耗，并采用名為FluxLink?的高帶寬通信技術(shù)，該技術(shù)使反饋信息可在安規(guī)隔離帶之間傳遞，絕緣性能符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)。

InnoSwitch3-PD是InnoSwitch3產(chǎn)品系列的最新成員，具有初級(jí)和次級(jí)控制器以及氮化鎵初級(jí)開關(guān)。該器件可提供完整的USB PD和PPS接口功能，無需USB PD + PPS電源通常所需的微控制器。其他采用氮化鎵的PI產(chǎn)品包括：采用數(shù)字控制并支持動(dòng)態(tài)調(diào)整電源電壓和電流的InnoSwitch3-Pro；名為InnoSwitch3-MX的多路輸出版本；以及LED驅(qū)動(dòng)器IC LYTSwitch?-6。

圖5 InnoSwitch3集成解決方案利用氮化鎵技術(shù)提供高性能反激式電源并加快開發(fā)時(shí)間

總結(jié)

氮化鎵即將在市場(chǎng)大行其道。越來越多的應(yīng)用，包括USB PD適配器、電視機(jī)、白色家電和LED照明，共超過60種不同的應(yīng)用，已經(jīng)在享受氮化鎵帶來的好處。當(dāng)可以使用不超過100W的反激式AC/DC電源時(shí)，越來越多的設(shè)計(jì)者選擇氮化鎵來設(shè)計(jì)體積更小、重量更輕、工作溫度更低、可靠性更高的電源。