隨著在DC-DC變換器設(shè)計中GaN-on-Si變得越來越普遍，經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員經(jīng)常會對GaN晶體管作為同步整流器（SRS）的獨(dú)特特性的影響提出疑問。特別是，在硅MOSFET中，第三象限的離態(tài)特性，即所謂的“體二極管”導(dǎo)電特性，在變換器死區(qū)期間被激活，這是值得關(guān)注的。本文將重點(diǎn)研究Si MOSFET和Egan FET作為“體二極管”的異同，并概述它們的優(yōu)缺點(diǎn)。
圖1.埃根場效應(yīng)管和硅MOSFET的典型源到漏正降與源漏電流和溫度的關(guān)系
圖1顯示了Egan FET和Si MOSFET的典型數(shù)據(jù)表反向傳導(dǎo)特性。對于Egan場效應(yīng)管，源漏正向電壓是硅MOSFET的三到四倍，但沒有反向恢復(fù)電荷，q。RR。對于Si MOSFET，Qrr是顯著的，盡管它隨著電壓額定值的降低而降低。對于源漏正向電壓，其值對電壓額定值的依賴性很小。
圖2.帶同步整流器的BUCK變換器原理圖
圖3.理想化BUCK轉(zhuǎn)換器Q1開啟波形，包括硅MOSFET體二極管的反向恢復(fù)
反向恢復(fù)的主要影響可以在典型BUCK轉(zhuǎn)換器的上下文中討論，如圖2所示。當(dāng)sr反向電壓降vsd 2相對死區(qū)時間保持相對一致時，tD，on，這是兩個q的切換轉(zhuǎn)換之間的間隔。1和Q2被命令離開，反向回收費(fèi)用，qRR，受死區(qū)［1］、［2］的強(qiáng)烈影響。
在實際的變換器中，為了防止q的交叉?zhèn)鲗?dǎo)，死區(qū)時間是必要的。1和Q2由于交叉導(dǎo)通后的開關(guān)時間為非零，造成過通電流和相應(yīng)的高損耗。然而，死區(qū)時間也會導(dǎo)致?lián)p耗，通過了解其中兩種主要機(jī)制：反向壓降和反向恢復(fù)，高效率變換器的設(shè)計將得到改進(jìn)。
反向壓降和死區(qū)損失
有兩個死期要考慮。開啟死期，tD，on，是時間q之間的間隔。2響應(yīng)它的關(guān)閉命令和當(dāng)前i的時間。Q2減少到零。關(guān)閉死期，tD，關(guān)閉，是q時開始的間隔。1響應(yīng)它的關(guān)閉命令和q的時間2響應(yīng)它的啟動命令。圖3顯示了關(guān)鍵的打開死區(qū)時間波形，并且關(guān)閉死區(qū)時間是相似的。在tD，on和TD，關(guān)閉Q通道2當(dāng)電感電流IL流過MOSFET的體二極管和GaN晶體管的類體二極管機(jī)制［3］時，電感電流被關(guān)閉。
在硅MOSFET中，該體二極管由漏外延層與源阱之間形成的PN結(jié)組成。該二極管的正向壓降VSD 2為0.6~0.8V。當(dāng)柵和源與V連接在一起時，在Egan場效應(yīng)管中產(chǎn)生有效體二極管。SD2二極管標(biāo)稱電流下的≈2.5-3V.閥體二極管的傳導(dǎo)損耗很容易由方程式1計算：
P高級，退伍軍人服務(wù)處=IL·VSD2二極管·FSW·（TD，ON+TD，OFF）（1）
高VSD2伊根場效應(yīng)晶體管的二極管意味著死區(qū)導(dǎo)通損耗大于硅MOSFET。這可以通過外部肖特基二極管或通過良好的死區(qū)管理［4］，［5］。Egan FETs的快速切換與Si MOSFET相比，更小的死區(qū)時間對于GaN來說是可行的。
反向回收和間接死區(qū)損失
反向恢復(fù)是開關(guān)損耗的主要來源，有時控制著所有其他開關(guān)損耗機(jī)制。然而，由于缺乏良好的數(shù)據(jù)和具有挑戰(zhàn)性的分析，特別是對于低電壓場效應(yīng)晶體管，它常常被低估甚至忽略。隨著功率密度和效率要求的不斷提高，反向恢復(fù)損失值得更密切的檢查。死時間對反向恢復(fù)有很強(qiáng)的影響［2］。在硅MOSFET中，這會導(dǎo)致比體二極管導(dǎo)電更高的損耗，并且這些損耗可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過Egan FETs的體二極管導(dǎo)電損耗［1］。
反向恢復(fù)是PN結(jié)二極管的一種現(xiàn)象。當(dāng)這樣的二極管傳導(dǎo)電流iD=iL在正向中，向結(jié)耗盡區(qū)注入少數(shù)載流子的種群。該載體種群的最終大小與IL的大小相對應(yīng)。該種群的一部分滯后于ID的變化，時間常數(shù)依賴于少數(shù)載流子的擴(kuò)散時間、遷移率和復(fù)合時間［6］。載流子的這一部分通常被稱為存儲的結(jié)電荷。它常常與電容耗盡電荷混淆，但不同之處在于它主要是二極管電流波形的函數(shù)，而不是電壓波形。只要儲存的電荷保持在結(jié)中，無論電流值或方向如何，二極管都可被視為處于導(dǎo)電狀態(tài)。對于Egan場效應(yīng)管，反向?qū)ㄊ腔诖蠖鄶?shù)沒有PN結(jié)的載流子器件，因此它們不顯示反向恢復(fù)。
反向恢復(fù)發(fā)生時，反向電壓被施加到一個PN二極管，該二極管正向前方向?qū)щ姟Ｒ虼?，它是在Q的開啟過程中發(fā)生的。1。圖3顯示了典型的打開波形。在開啟死區(qū)開始時，q的通道。2是關(guān)閉的，強(qiáng)制電感電流-iL通過身體二極管。然后q1被打開并開始攜帶越來越多的iL。當(dāng)控制場效應(yīng)管電流達(dá)到i時l，iQ2=0，理想的二極管將停止導(dǎo)電。然而，在實際的PN結(jié)二極管中，結(jié)區(qū)存儲的電荷滯后于電流。因此，二極管保持開著，而自q1也是，電壓V公共汽車迫使水流繼續(xù)增加。這個額外的電流嚴(yán)格地流經(jīng)功率回路，被稱為反向恢復(fù)電流，它作為一個貫穿電流，并顯著增加損失。當(dāng)電流倒轉(zhuǎn)時，儲存的電荷開始衰減，并最終到達(dá)足以支持i的點(diǎn)。RRM，峰值負(fù)iq 2電流，其后電流幅值隨時間常數(shù)t呈指數(shù)下降。RR直到我Q2=0，iQ1=iL，二極管也關(guān)了。流動的額外電流會產(chǎn)生額外的電荷，稱為反向恢復(fù)電荷（Q）。RR）流經(jīng)功率回路并由此產(chǎn)生的損失由以下幾個方面提供：
P高級，退伍軍人服務(wù)處=qRR·VBUS·FSW（2）
不幸的是，一個精確的QRR價值很難獲得。硅MOSFET數(shù)據(jù)表通常為體二極管Q提供數(shù)字RR和TRR在不現(xiàn)實的條件下。qRR值可能包括或不包括q。開放源碼軟件，這很少被指定。現(xiàn)實條件下反求恢復(fù)參數(shù)的測量具有挑戰(zhàn)性和易出錯性，典型器件模型中反求恢復(fù)的精確建模很少。這導(dǎo)致對反向恢復(fù)損失的估計很差。
ENGN FET與Si MOSFET在VIN=48V同步整流中的比較
現(xiàn)在讓我們來看看死區(qū)時間對依根場效應(yīng)管（Egan FET）和基于硅MOSFET（硅MOSFET）的SR設(shè)計的電路性能的影響。我們來看看V在……里面=48 V至V走出=12V同步降壓變換器在f的頻率范圍內(nèi)工作西南=300千赫至f西南=1兆赫。實驗評估板分別如圖4（A）和（B）所示，分別用于Egan FET（EPC 2045）和Si MOSFET等效器件。每個板的設(shè)計都是基于［7］的類似布局，使用四層二英寸銅多氯聯(lián)苯，并使用為各自技術(shù)設(shè)計的柵極驅(qū)動程序。
為了評估死區(qū)時間對兩個系統(tǒng)性能的影響，對每個測量點(diǎn)的死區(qū)時間進(jìn)行了調(diào)整，使用空載定時來保持一致性。由于qrr的影響是在設(shè)備q1打開時看到的，所以只有上升的邊緣死區(qū)，t。死升，GaN晶體管和Si MOSFET的死區(qū)數(shù)分別減少到10 ns和15 ns。
圖4.v型在……里面=48 V演示系統(tǒng)（A）基于Egan FET的EPC 9078設(shè)計與EPC 2045 Egan FET和LMG 5113 GaN FET 5 V柵驅(qū)動器和（B）基于Si MOSFET的BSZ097N10NS5 Si MOSFET和ISL 2111 MOSFET 10 V柵驅(qū)動器的設(shè)計
最小死時間情況被用作基線，并從所有其他損失測量中減去。這樣就可以量化死區(qū)效應(yīng)造成的損失。對于更快的Egan場效應(yīng)管，選擇了5 ns的最小死區(qū)時間，對于速度較慢的Si MOSFET，選擇了10 ns的最小死區(qū)時間。圖5顯示了死區(qū)時間內(nèi)“體二極管”傳導(dǎo)持續(xù)時間對開關(guān)頻率為500 kHz（圖5（A）和1 MHz（圖（5b）的輸出電流6A、10A和14A的性能的影響。隨著死區(qū)時間的增加，Si MOSFET表現(xiàn)出由于q引起的初始損耗的大幅度增加。RR，從而逼近由于V而產(chǎn)生的常數(shù)斜率的漸近性。SD2，二極管，如預(yù)期。從圖5可以看出，Si MOSFET QRR與二極管的前向偏置時間和二極管的電流大小有很強(qiáng)的相關(guān)性。對于Si MOSFET，ΔQRR可由方程2和Δq估計。RR測量結(jié)果為：6A約為40 nC，10A為80 nC，14A為135 nC，體二極管導(dǎo)電時間增加50 ns。從圖5（B）中可以看出，如方程2所預(yù)測的，死區(qū)時間損失與頻率成正比。當(dāng)開關(guān)頻率從500 kHz增加到1 MHz時，損耗增加了2倍以上（~2.5）。這表明QRR值（Nc）依賴于f。西南，但在某種程度上比我走出和T死升。在圖5（C）中，頻率范圍更廣，f西南當(dāng)負(fù)載電流為10A時，顯示為300 kHz、500 kHz和1 MHz，證實Egan FET在較寬的頻率范圍內(nèi)是一個優(yōu)越的SR。
圖5.上升邊死區(qū)持續(xù)時間對不同輸出電流和開關(guān)頻率為（A）f的變換器功率損耗的影響如圖4所示西南=50千赫，（B）f西南=1兆赫；及（C）各種開關(guān)頻率及輸出電流i走出=10 A
對于無反向恢復(fù)的Egan場效應(yīng)管，損耗與死區(qū)的源漏傳導(dǎo)成正比，正如方程1所預(yù)測的那樣。由于V值越大，Egan場效應(yīng)晶體管損耗曲線的導(dǎo)通斜率越高。SD2，二極管反向傳導(dǎo)。雖然斜率較高，但Si MOSFET反向恢復(fù)的初始高損耗意味著即使在較大的死區(qū)，硅MOSFET的反向恢復(fù)損耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過ENGN FET反向電壓降的損失。這表明，在體二極管工作的sr應(yīng)用中，由于q的消除，GaN晶體管優(yōu)于Si mofet。RR.
死區(qū)時間對系統(tǒng)效率和功率損耗的影響分別在圖6（A）和（B）中進(jìn)行了測試和顯示?；贓gan FET的設(shè)計在所有條件下均表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，在30 ns和60 ns的上升邊緣死區(qū)，系統(tǒng)總損耗分別減少35%和40%，效率分別提高2%和2.5%。改進(jìn)的基于Egan FET的開關(guān)性能使系統(tǒng)在優(yōu)化時具有更高的功率密度，文［8］對此進(jìn)行了詳細(xì)的討論。
圖6.上升沿死區(qū)持續(xù)時間對總系統(tǒng)（A）效率和（B）功率損耗的影響，如圖4所示，f的開關(guān)頻率西南=500 kHz（IHLP-5050-FD-01）
到目前為止，完全考慮了死區(qū)時間對功率損耗和效率的影響。然而，第三象限“體二極管”的導(dǎo)通對開關(guān)波形也有很大的影響，影響到器件的最小允許死區(qū)時間、柵極驅(qū)動器/控制器的最大負(fù)開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓以及器件的峰值電壓額定值等設(shè)計準(zhǔn)則。如圖7（A）所示，是伊根場效應(yīng)管的開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形，用于上升邊緣死區(qū)5 ns，20 ns和40 ns。無反向恢復(fù)的Egan FET具有幾乎相同的開關(guān)過渡和峰值電壓峰值，允許設(shè)計者更簡單地選擇所需的最低死區(qū)時間和峰值器件阻塞電壓。對于基于Egan FET的設(shè)計，晶體管還具有較高的第三象限離態(tài)正向電壓，從而產(chǎn)生更多的負(fù)開關(guān)節(jié)點(diǎn)，從而影響驅(qū)動器/控制器的選擇。
對于基于Si MOSFET的設(shè)計，開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形如圖7（B）所示，死區(qū)為5 ns，20 ns和40 ns。第三象限體二極管電壓明顯低于Egan場效應(yīng)晶體管，但其躍遷和峰值電壓峰值隨死區(qū)時間的變化而明顯變化，這是反向恢復(fù)電荷的影響（Q）。RR）電流。電流將產(chǎn)生類似的影響，使設(shè)計者在盡量減少死區(qū)時間和選擇合適的設(shè)備電壓等級方面具有更大的挑戰(zhàn)性。
圖7.上升邊死區(qū)時間對（A）GaN晶體管和（B）Si MOSFET實驗轉(zhuǎn)換器開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形的影響如圖4所示
結(jié)語
總結(jié)了在同步整流中有效使用Egan FET的設(shè)計考慮：1）Egan FET的“體二極管”正向壓降比Si MOSFET高2~3倍，相關(guān)的正激二極管導(dǎo)通損耗相應(yīng)增加；2）Egan FET完全消除反向恢復(fù)Q。RR相關(guān)損失減少到零。
適用于較高電壓的應(yīng)用（V在……里面=48 V），Q的影響很大。RR對于Si MOSFET的SR損耗，以及Egan FET正向二極管導(dǎo)通損耗的增加與之相比是非常小的，在大多數(shù)應(yīng)用中，ENGN FET作為SRS的性能都要好得多。隨著電壓的增加，ENGN FET的相對優(yōu)勢越大，因為Si MOSFET QRR和相關(guān)損耗都隨著電壓的增加而增加。Si MOSFET Q的相關(guān)性RR在導(dǎo)電電流水平上也被證明，更高的電流水平顯示出更大的優(yōu)勢埃根場效應(yīng)。