【導讀】如今，越來越多的設計人員在各種應用中使用基于 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。
如今，越來越多的設計人員在各種應用中使用基于 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，設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)是開關導通時的電阻，會產(chǎn)生導通損耗。 COSS的功率損耗等于CV2/2。當晶體管導通時，COSS通過RDS(ON)放電，產(chǎn)生導通損耗。傳導損耗等于 (CV2/2) xf，其中 f 是開關頻率。用 GaN 開關代替硅開關可降低 RDS(ON)和 COSS值，從而能夠設計更高效的電源或實現(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 如何降低傳導和開關損耗
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)，它將總導通電阻與每單位面積的芯片相關聯(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 損耗相結合，可以使用 GaN 設計更高效的電源，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 本質上比硅更高效，因此可以提高 GaN 基電源的開關頻率。雖然這會增加損耗，但它們仍然明顯低于硅 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頻率可以低于100kHz。對于 GaN，限制因素不是開關速度。隨著 COSS 的顯著降低，設計人員可以更靈活地優(yōu)化開關頻率以降低損耗，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% 負載時約為 85%，在滿負載時將達到 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% 負載下的效率約為 88%。在滿負載時，這種 GaN 設計的效率約為 94%。如果用GaN器件替代硅MOSFET，在整個負載范圍內可以實現(xiàn)約3%的效率提升。
效率提高 3% 相當于浪費至少減少 35%。氮化鎵設計消耗更少的能源，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 晶體管進行設計
分立式 GaN 晶體管不能用作功率轉換器設計中硅器件的直接替代品。 GaN 晶體管的驅動更具挑戰(zhàn)性，特別是當驅動電路距離晶體管有一定距離時。 GaN 器件開啟速度非常快，如果沒有仔細優(yōu)化的驅動電路，可能會導致嚴重的電磁干擾問題，甚至破壞性振蕩。 GaN 器件通常處于“常開”狀態(tài)，這對于電源開關來說并不理想，因此分立式 GaN 開關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 IC 具有用于 GaN 初級側和次級側同步整流器的內置控制器。 InnoSwitch3 IC空載功耗低，采用名為FluxLink的高帶寬通信技術，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 GaN 主開關。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)調整；稱為 InnoSwitch3-MX 的多輸出版本；以及 LED 驅動器 IC LYTSwitch-6。
GaN即將推向市場。越來越多的應用，包括 USB PD 適配器、電視、白色家電和 LED 照明，總共 60 多種不同的應用，已經(jīng)享受到了 GaN 的優(yōu)勢。當高達 100W 的反激式 AC/DC 電源可用時，越來越多的設計人員選擇 GaN 來設計更小、更輕、更冷且更可靠的電源。
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