使用GaN增加電源的功率，并且能夠較小電源的體積優(yōu)勢(shì)

隨著在晶體管制造中引入新的寬帶隙材料，例如氮化鎵 (GaN)，顯著的品質(zhì)因數(shù)改進(jìn)轉(zhuǎn)化為電源的潛在改進(jìn)。使用比硅基半導(dǎo)體具有更高帶隙的新型材料可以減小芯片尺寸，同時(shí)保持相同的阻斷電壓。

較小的管芯導(dǎo)致寄生電容和晶體管柵極電荷 (Qg) 和輸出電容 (Coss) 的降低。與經(jīng)典的硅 MOSFET 相比，這直接轉(zhuǎn)化為更快的轉(zhuǎn)換速度，具有更少的轉(zhuǎn)換損耗、更少的 Coss 耗散和在給定頻率下的驅(qū)動(dòng) Qg 損耗。

鑒于開(kāi)關(guān)損耗變得非常大，設(shè)計(jì)人員不會(huì)在數(shù)百千赫茲以上的功率應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)硅 FET，而較低的寄生效應(yīng)使基于 GaN 的 FET 能夠以高達(dá) 10 倍的頻率工作，同時(shí)保持相當(dāng)?shù)拈_(kāi)關(guān)和驅(qū)動(dòng)損耗。

這種在更高頻率下工作的能力降低了紋波電壓和電流，這相當(dāng)于降低了傳導(dǎo)和磁芯損耗，并有可能減小電感和電容元件的尺寸。

更小的產(chǎn)品：不斷增加的功率密度

當(dāng)電源的功率密度由于其組件的縮小而增加時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)發(fā)生什么變化？

隨著功率損耗密度的增加，熱管理可能變得具有挑戰(zhàn)性。對(duì)于給定的縱橫比，可用于熱交換的面積隨著體積的減小而減小，從而導(dǎo)致更高的表面溫度。

為了縮小電力系統(tǒng)的規(guī)模，必須提高效率。從損耗的角度來(lái)看，效率為 90% 的系統(tǒng)的功率損耗是效率為 95% 的系統(tǒng)的兩倍：每個(gè)百分點(diǎn)都很重要。

推動(dòng)更高效率的另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是電源的管理法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，這些法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)變得越來(lái)越嚴(yán)格。更多與營(yíng)銷相關(guān)的綠色認(rèn)證也需要越來(lái)越高的標(biāo)準(zhǔn)。

提高效率

在使用GaN 晶體管的應(yīng)用中，我們可以采用兩條主要途徑來(lái)改進(jìn)特定應(yīng)用。

首先是保持工作頻率接近等效的基于硅的系統(tǒng)，因?yàn)榛?/span> GaN 的 FET 的損耗較小。

第二個(gè)是通過(guò)增加頻率來(lái)縮小系統(tǒng)，在這種情況下，轉(zhuǎn)換或開(kāi)關(guān)損耗再次成為主要因素。

在第二種情況下，功率密度增加，需要進(jìn)一步提高效率。

降低開(kāi)關(guān)損耗的最佳方法是采用諧振或準(zhǔn)諧振方案。同樣的基本概念也適用：以零電流或零電壓（或接近零）切換晶體管。許多此類拓?fù)湟呀?jīng)存在于我們可以擴(kuò)展到 GaN 的硅解決方案中。

使用 GaN 的優(yōu)勢(shì)在于開(kāi)關(guān)頻率和轉(zhuǎn)換速度足夠高，我們可以使用無(wú)源元件的寄生效應(yīng)作為設(shè)計(jì)的一部分來(lái)調(diào)整諧振。更小的寄生效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致更低的循環(huán)電流并縮短死區(qū)時(shí)間。這從本質(zhì)上簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，降低了成本、重量以及與額外組件相關(guān)的所有額外損失。

我們可以通過(guò)利用高頻降低電流紋波來(lái)降低傳導(dǎo)損耗（較低的電流峰值會(huì)產(chǎn)生較低的傳導(dǎo)損耗）。AC/DC 轉(zhuǎn)換的一個(gè)很好的例子是有源開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正 (PFC) 電路，其中充電電流是正弦而不是脈沖，從而降低了峰值電流傳導(dǎo)損耗。類似地，有源開(kāi)關(guān)的效率可以通過(guò)使用非?？焖俚目刂破鱽?lái)最大化，從而通過(guò)功率級(jí)呈現(xiàn)為低阻抗，從而提高效率。

我們可以通過(guò)諧振柵極驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)一步降低激活電壓和柵極電荷 (Qg) 降低帶來(lái)的驅(qū)動(dòng)損耗。

結(jié)論

減小尺寸和提高功率轉(zhuǎn)換效率是在電源系統(tǒng)中使用 GaN 的兩大明顯優(yōu)勢(shì)。

我們可以在提高頻率時(shí)減小電感器和變壓器的尺寸，但在磁通量 (dΦ/dt) 變化較大（由于電流快速變化）的情況下，能夠在數(shù)兆赫保持良好性能的磁性材料的選擇受到限制。

5MHz以上可以去掉實(shí)芯，采用空芯電感?？招碾姼邢舜判緭p耗，但是對(duì)于給定的電感值，空氣的較低介電常數(shù)會(huì)迫使匝數(shù)更多。這導(dǎo)致更高的銅損和體積可能比實(shí)芯解決方案更大的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)場(chǎng)輻射到更遠(yuǎn)的空間。研究人員正在試驗(yàn)高頻磁性材料，這可能是多兆赫應(yīng)用的良好解決方案。

根據(jù)系統(tǒng)的不同，將頻率提高到一定限度以上可能不利于減小尺寸，因?yàn)橄到y(tǒng)的非電源相關(guān)組件（電源連接器、電機(jī)）可能無(wú)法相應(yīng)縮小。在這些系統(tǒng)中，推動(dòng)更高頻率的原因是將電磁干擾 (EMI) 推到標(biāo)準(zhǔn)范圍之外。

GaN 是幾十年來(lái)電源領(lǐng)域最大的主要范式轉(zhuǎn)變，并且由于實(shí)現(xiàn)了極高的開(kāi)關(guān)速度 (100/ns)，GaN 開(kāi)關(guān)是最接近可用的理想開(kāi)關(guān)的東西。

GaN 開(kāi)啟了重新審視經(jīng)典電源的可能性，提高了性能、效率、成本和尺寸。更重要的是，它使設(shè)計(jì)人員能夠探索和發(fā)明硅無(wú)法想象的新拓?fù)洹?