【導讀】如今，越來(lái)越多的設計者在各種應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(wú)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(jiǎn)化模型中）：一個(gè)是串聯(lián)阻抗，稱(chēng)為RDS(ON)，另一個(gè)是并聯(lián)電容，稱(chēng)為COSS。這兩個(gè)晶體管參數限制了電源的性能。氮化鎵是一種新技術(shù)，設計者可以用它來(lái)降低由于晶體管特性的不同而對電源性能產(chǎn)生的影響。在所有晶體管中，隨著(zhù)RDS(ON)的減小，管芯尺寸會(huì )增加，這會(huì )導致寄生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)數量級。
RDS(ON) 是開(kāi)關(guān)接通時(shí)的電阻，它造成導通損耗。COSS的功率損耗等于CV2/2（見(jiàn)圖1）。當晶體管導通時(shí)，COSS通過(guò)RDS(ON)放電，導致導通損耗。導通損耗等于(CV2/2) x f，其中f是開(kāi)關(guān)頻率。用氮化鎵開(kāi)關(guān)替換硅開(kāi)關(guān)會(huì )降低RDS(ON)和COSS的值，能夠設計出更高效的電源，或實(shí)現在更高頻率下工作，而對效率的影響較小，這有助于縮小變壓器的尺寸。
圖1：初級功率開(kāi)關(guān)中的寄生電容
氮化鎵如何降低導通和開(kāi)關(guān)損耗
我們談到了增加晶體管尺寸的后果：隨著(zhù)晶體管變大，RDS(ON)會(huì )減小。這沒(méi)有問(wèn)題。然而，隨著(zhù)晶體管變大，（顯然）面積會(huì )更大，因此寄生電容COSS也會(huì )增加。這不是好事。最佳的晶體管尺寸應使RDS(ON)和COSS的組合最小化。該點(diǎn)通常位于降低RDS(ON)損耗的曲線(xiàn)與增加COSS損耗的曲線(xiàn)的相交處。當曲線(xiàn)相交時(shí)，電阻和電容損耗的組合最低（見(jiàn)圖2）。
圖2：硅MOSFET中的功率損耗相對于器件尺寸的簡(jiǎn)化示意圖
除了總RDS(ON)之外，還有一個(gè)名為“特定RDS(ON)”的參數，該參數將總導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RDS(ON)，因此開(kāi)關(guān)更小，并且COSS也更低。這意味著(zhù)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RDS(ON)和較小的COSS損耗相結合，可以使用氮化鎵設計出更高效率的電源，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。頻率是設計者可以用來(lái)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(kāi)關(guān)頻率。雖然這會(huì )增加損耗，但它們仍會(huì )顯著(zhù)低于硅MOSFET的損耗，并減小變壓器的尺寸。
變壓器結構的實(shí)際限制和電路中的寄生元件限制了開(kāi)關(guān)頻率可以有效地提高到何種程度。在實(shí)際設計中，對于額定功率為≤100W的基于氮化鎵的反激式適配器來(lái)說(shuō)，能夠提供效率、尺寸和低成本的最佳組合的開(kāi)關(guān)頻率可以低于100kHz。對于氮化鎵而言，限制因素不是開(kāi)關(guān)速度。隨著(zhù)COSS的大幅減小，設計者有了更大的靈活性，可以針對損耗優(yōu)化開(kāi)關(guān)頻率，達成一個(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)現的呢？舉例來(lái)說(shuō)，對于一個(gè)使用硅MOSFET的65W反激式適配器，其效率曲線(xiàn)在10%負載下處于約85%的范圍內，在滿(mǎn)載時(shí)將達到90%以上（見(jiàn)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%負載下將約為88%。在滿(mǎn)載時(shí)，這款氮化鎵設計的效率將達到約94%。假如用氮化鎵器件取代硅MOSFET，在整個(gè)負載范圍內將可實(shí)現約3%的效率改進(jìn)。
圖4：碳化硅與氮化鎵適配器在滿(mǎn)載時(shí)的效率比較
效率提高3%相當于損耗減少至少35%。氮化鎵設計的能耗更少，產(chǎn)生的熱量減少35%。這一點(diǎn)非常重要，因為初級功率開(kāi)關(guān)通常是傳統電源中最熱的元件。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(cháng)的使用壽命。
如何使用氮化鎵晶體管進(jìn)行設計
在功率變換器設計中，分立的氮化鎵晶體管不能用作硅器件的直接替代品。氮化鎵晶體管的驅動(dòng)更具挑戰性，尤其是在驅動(dòng)電路距晶體管有一定距離的情況下。氮化鎵器件的導通速度非?？?，如果沒(méi)有精心優(yōu)化的驅動(dòng)電路，這可能會(huì )導致電磁干擾甚至破壞性振蕩的嚴重問(wèn)題。氮化鎵器件通常是處于“常開(kāi)”的狀態(tài)，這對于功率開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)并不理想，因此分立的氮化鎵開(kāi)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(hù)實(shí)現可靠耐用的設計并加快產(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(kāi)關(guān)IC已內置用于氮化鎵初級側和次級側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隔離帶之間傳遞，絕緣性能符合國際安全標準。
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氮化鎵初級開(kāi)關(guān)。該器件可提供完整的USB PD和PPS接口功能，無(wú)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：采用數字控制并支持動(dòng)態(tài)調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(kāi)發(fā)時(shí)間
總結
氮化鎵即將在市場(chǎng)大行其道。越來(lái)越多的應用，包括USB PD適配器、電視機、白色家電和LED照明，共超過(guò)60種不同的應用，已經(jīng)在享受氮化鎵帶來(lái)的好處。當可以使用不超過(guò)100W的反激式AC/DC電源時(shí)，越來(lái)越多的設計者選擇氮化鎵來(lái)設計體積更小、重量更輕、工作溫度更低、可靠性更高的電源。
來(lái)源：PI
注：原載于Bodos功率系統，2021年11月22日
作者：Doug Bailey，Power Integrations市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
