新型寬帶隙材料在電力電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)——第一部分

隨著在晶體管制造中引入諸如氮化鎵 (GaN) 等新型寬帶隙材料，品質(zhì)因數(shù)的顯著改善轉(zhuǎn)化為電源的潛在改良。

在這篇包括兩個(gè)部分的博客系列中，我將討論這些新型寬帶隙材料是怎樣能讓新設(shè)計(jì)從中受益的。

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采用帶隙高于硅半導(dǎo)體的新型材料可縮減芯片尺寸，同時(shí)保持相同的隔離電壓。

較小的芯片產(chǎn)生較低的寄生電容，并降低了晶體管柵極電荷 (Qg) 及輸出電容 (Coss)。相比于標(biāo)準(zhǔn)的硅 MOSFET，在給定的頻率下，這直接轉(zhuǎn)化為較快的轉(zhuǎn)換速度以及較少的轉(zhuǎn)換損耗、較少的 Coss 耗散和較少的驅(qū)動(dòng) Qg 損失。

然而，在高于幾百 kHz 的電源應(yīng)用中設(shè)計(jì)人員并不驅(qū)動(dòng)硅 FET（因?yàn)殚_關(guān)損耗變得過大），較低的寄生電容使得基于 GaN 的 FET 能夠在高出 10 倍之多的頻率下工作，同時(shí)保持相似的開關(guān)和驅(qū)動(dòng)損耗。

這種在較高頻率條件下運(yùn)作的能力降低了紋波電壓和電流，這等同于傳導(dǎo)和磁芯損耗的減低，并有可能縮小電感和電容性組件的尺寸。

高頻操作的優(yōu)點(diǎn)

當(dāng)采用較高的頻率時(shí)，對(duì)于在充電周期之間存儲(chǔ)能量的需要線性地下降。因此，所有用于能量存儲(chǔ)或?yàn)V波的無源組件皆可較小。

在那些尺寸、重量和外形因素至關(guān)重要的應(yīng)用中，尺寸縮減的好處尤為明顯。比如，在任何非靜止固定的應(yīng)用中（如機(jī)載或移動(dòng)系統(tǒng)），尺寸和重量是主要關(guān)注的問題，因?yàn)殡S著重量的增加所需的燃料將會(huì)增多。

轉(zhuǎn)向更高頻率的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可減少電磁干擾 (EMI) 濾波器：無源濾波器在較高的頻率下其效率變得更高，而且當(dāng)頻率高于 5 MHz 時(shí)，產(chǎn)生的開關(guān)噪聲（由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) [EN55022] 強(qiáng)制要求）減輕了額外的 5 dB。然而，較高的頻率更有可能找到輻射路徑；法拉第屏蔽（僅可在接地的系統(tǒng)上使用）和謹(jǐn)慎的布局變得越來越重要。

減小組件尺寸

當(dāng)頻率提高時(shí)，電壓和電流紋波減少，從而減小了所需的電容。

大的鋁電容器對(duì)位于幾百 kHz 的低端以下的頻率是非常有效的，而一旦開關(guān)頻率提升至 MHz 范圍它就變得無效了。您可以用緊湊的陶瓷電容器替代鋁電容器，由于結(jié)構(gòu)和至電路板的連接方法之故，這呈現(xiàn)較低的阻抗。

使用陶瓷電容器需要注意其自諧振（在高達(dá)幾 MHz 的頻率下大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)陶瓷電容器都是令人滿意的）和 DC 電壓偏置。為了克服這些影響，需選擇和謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)低阻抗物理尺寸和形狀，并選擇高級(jí)電介質(zhì)材料（NP0/C0G 或 X7R）。

同樣，當(dāng)提高頻率時(shí)可減小電感器和變壓器的尺寸，但是能夠在多 MHz 頻率和磁通量發(fā)生強(qiáng)烈變化 (dΦ/dt)（由于快速變化的電流所致）的情況下保持高性能的磁性材料的選擇是有限的。

在高于 5 MHz 的頻率條件下，可以擯棄實(shí)芯電感器而采用空芯電感器。空芯電感器消除了磁芯損耗，但是對(duì)于給定的電感值，空氣的較低介電常數(shù)強(qiáng)制要求較大的線圈匝數(shù)。這導(dǎo)致了較高的銅損和一種體積有可能大于實(shí)芯解決方案的構(gòu)造，而且強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)向周圍空間產(chǎn)生更多的輻射。研究人員正在用高頻磁性材料做試驗(yàn)，其或許是一種適合多 MHz 應(yīng)用的優(yōu)良解決方案。

那么，縮小電源的結(jié)果是什么呢？我將在本博客系列的下一部分中探討這個(gè)問題。

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