如何有效利用氮化鎵提高晶體管的應(yīng)用？

如今，越來越多的設(shè)計人員在各種應(yīng)用中使用基于 GaN 的反激式 AC/DC 電源。氮化鎵很重要，因為它有助于提高功率晶體管的效率，從而減小電源的尺寸并降低工作溫度。

晶體管，無論是由硅還是氮化鎵制成，都不是理想的器件，有兩個主要因素導(dǎo)致其效率下降(在簡化模型中)：一個是串聯(lián)電阻，稱為 RDS(ON)，另一個是并聯(lián)電容器稱為 COSS。這兩個晶體管參數(shù)限制了電源的性能。 GaN是一種新技術(shù)，設(shè)計人員可以利用它來減少由于晶體管特性差異而對功率性能的影響。在所有晶體管中，隨著 RDS(ON) 減小，芯片尺寸增大，從而導(dǎo)致寄生 COSS 增大。在 GaN 晶體管中，COSS 增加與 RDS(ON) 減少的比率要低一個數(shù)量級。

RDS(ON)是開關(guān)導(dǎo)通時的電阻，會產(chǎn)生導(dǎo)通損耗。 COSS的功率損耗等于CV2/2。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時，COSS通過RDS(ON)放電，產(chǎn)生導(dǎo)通損耗。傳導(dǎo)損耗等于 (CV2/2) xf，其中 f 是開關(guān)頻率。用 GaN 開關(guān)代替硅開關(guān)可降低 RDS(ON)和 COSS值，從而能夠設(shè)計更高效的電源或?qū)崿F(xiàn)更高頻率的操作，同時對效率的影響更小，這有助于縮小變壓器的尺寸。

GaN 如何降低傳導(dǎo)和開關(guān)損耗

增加晶體管尺寸的后果：隨著晶體管變大，RDS(ON) 會減小。這沒有問題。然而，隨著晶體管變大，(顯然)面積變大，因此寄生電容 COSS 也會增加。這不是什么好事。最佳晶體管尺寸應(yīng)最大限度地減少 RDS(ON) 和 COSS 的組合。該點通常位于 RDS(ON) 損耗減少的曲線與 COSS 損耗增加的曲線相交的位置。當(dāng)曲線相交時，電阻和電容損耗的組合最低。

除了總 RDS(ON) 之外，還有一個稱為“特定 RDS(ON)”的參數(shù)，它將總導(dǎo)通電阻與每單位面積的芯片相關(guān)聯(lián)。與硅相比，GaN 的特定 RDS(ON) 非常低，因此可以實現(xiàn)更小的開關(guān)和更低的 COSS。這意味著較小的 GaN 器件可以處理與較大硅器件相同的功率水平。

較低的 RDS(ON) 和較低的 COSS 損耗相結(jié)合，可以使用 GaN 設(shè)計更高效的電源，從而減少散熱。所需散熱量的減少也有助于實現(xiàn)更小的電源。頻率是設(shè)計人員可以使用 GaN 來減小尺寸和優(yōu)化功率性能的另一種工具。由于 GaN 本質(zhì)上比硅更高效，因此可以提高 GaN 基電源的開關(guān)頻率。雖然這會增加損耗，但它們?nèi)匀幻黠@低于硅 MOSFET，并減小了變壓器的尺寸。

以Keep Tops 品牌的氮化鎵為例，在實際設(shè)計中，對于額定功率≤100W的基于GaN的反激式適配器，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。對于 GaN，限制因素不是開關(guān)速度。隨著 COSS 的顯著降低，設(shè)計人員可以更靈活地優(yōu)化開關(guān)頻率以降低損耗，從而獲得卓越的解決方案。

使用氮化鎵提高電源效率

電源效率的提升是如何實現(xiàn)的?例如，Keep Tops對于使用硅 MOSFET 的 65W 反激式適配器，效率曲線在 10% 負(fù)載時約為 85%，在滿負(fù)載時將達(dá)到 90% 以上(見圖 4)。使用 Power Integrations (PI) 的基于 GaN 的 InnoSwitch 器件的 65W 反激式適配器在 10% 負(fù)載下的效率約為 88%。在滿負(fù)載時，這種 GaN 設(shè)計的效率約為 94%。如果用GaN器件替代硅MOSFET，在整個負(fù)載范圍內(nèi)可以實現(xiàn)約3%的效率提升。

效率提高 3% 相當(dāng)于浪費(fèi)至少減少 35%。氮化鎵設(shè)計消耗更少的能源，產(chǎn)生的熱量減少 35%。這很重要，因為主電源開關(guān)通常是傳統(tǒng)電源中最熱的組件。氮化鎵的冷卻要求也會下降。電源將變得更小、更輕、更便攜，而且由于部件的溫度更低，電源將在更低的溫度下工作，使用壽命更長。

Keep Tops如何使用 GaN 晶體管進(jìn)行設(shè)計

分立式 GaN 晶體管不能用作功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計中硅器件的直接替代品。 GaN 晶體管的驅(qū)動更具挑戰(zhàn)性，特別是當(dāng)驅(qū)動電路距離晶體管有一定距離時。 GaN 器件開啟速度非?？?，如果沒有仔細(xì)優(yōu)化的驅(qū)動電路，可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁干擾問題，甚至破壞性振蕩。 GaN 器件通常處于“常開”狀態(tài)，這對于電源開關(guān)來說并不理想，因此分立式 GaN 開關(guān)通常與共源共柵布置中的低壓硅晶體管配對。

為了幫助客戶實現(xiàn)可靠耐用的設(shè)計并加快上市時間，PI推出了InnoSwitch3產(chǎn)品系列。這些高度集成的反激式開關(guān) IC 具有用于 GaN 初級側(cè)和次級側(cè)同步整流器的內(nèi)置控制器。 InnoSwitch3 IC空載功耗低，采用名為FluxLink的高帶寬通信技術(shù)，可實現(xiàn)安全柵之間的反饋信息傳輸，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，具有初級和次級控制器以及 GaN 主開關(guān)。該器件提供完整的 USB PD 和 PPS 接口功能，無需 USB PD + PPS 電源通常所需的微控制器。其他基于GaN的PI產(chǎn)品包括：InnoSwitch3-Pro，具有數(shù)字控制功能，支持電源電壓和電流的動態(tài)調(diào)整;稱為 InnoSwitch3-MX 的多輸出版本;以及 LED 驅(qū)動器 IC LYTSwitch-6。

GaN即將推向市場。越來越多的應(yīng)用，包括 USB PD 適配器、電視、白色家電和 LED 照明，總共 60 多種不同的應(yīng)用，已經(jīng)享受到了 GaN 的優(yōu)勢。當(dāng)高達(dá) 100W 的反激式 AC/DC 電源可用時，越來越多的設(shè)計人員選擇 GaN 來設(shè)計更小、更輕、更冷且更可靠的電源。

審核編輯：湯梓紅