【導(dǎo)讀】如今，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)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?yàn)樗兄谔岣吖β示w管的效率，從而減小電源的尺寸并降低工作溫度。
如今，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)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?yàn)樗兄谔岣吖β示w管的效率，從而減小電源的尺寸并降低工作溫度。
晶體管，無(wú)論是由硅還是氮化鎵制成，都不是理想的器件，有兩個(gè)主要因素導(dǎo)致其效率下降（在簡(jiǎn)化模型中）：一個(gè)是串聯(lián)電阻，稱為 RDS（ON），另一個(gè)是并聯(lián)電容器稱為 COSS。這兩個(gè)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(jì)人員可以利用它來(lái)減少由于晶體管特性差異而對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)。
RDS(ON)是開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的電阻，會(huì)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(shí)，COSS通過(guò)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(kāi)關(guān)頻率。用 GaN 開(kāi)關(guān)代替硅開(kāi)關(guān)可降低 RDS(ON)和 COSS值，從而能夠設(shè)計(jì)更高效的電源或?qū)崿F(xiàn)更高頻率的操作，同時(shí)對(duì)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(kāi)關(guān)損耗
增加晶體管尺寸的后果：隨著晶體管變大，RDS(ON) 會(huì)減小。這沒(méi)有問(wèn)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(huì)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(diǎn)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(shí)，電阻和電容損耗的組合最低。
除了總 RDS(ON) 之外，還有一個(gè)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(shí)現(xiàn)更小的開(kāi)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(jì)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(shí)現(xiàn)更小的電源。頻率是設(shè)計(jì)人員可以使用 GaN 來(lái)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(kāi)關(guān)頻率。雖然這會(huì)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(shí)際設(shè)計(jì)中，對(duì)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(kāi)關(guān)頻率可以低于100kHz。對(duì)于 GaN，限制因素不是開(kāi)關(guān)速度。隨著 COSS 的顯著降低，設(shè)計(jì)人員可以更靈活地優(yōu)化開(kāi)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(shí)現(xiàn)的？例如，Keep Tops對(duì)于使用硅 MOSFET 的 65W 反激式適配器，效率曲線在 10% 負(fù)載時(shí)約為 85%，在滿負(fù)載時(shí)將達(dá)到 90% 以上（見(jiàn)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(shí)，這種 GaN 設(shè)計(jì)的效率約為 94%。如果用GaN器件替代硅MOSFET，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)可以實(shí)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(jì)消耗更少的能源，產(chǎn)生的熱量減少 35%。這很重要，因?yàn)橹麟娫撮_(kāi)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(huì)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(zhǎng)。
Keep Tops如何使用 GaN 晶體管進(jìn)行設(shè)計(jì)
分立式 GaN 晶體管不能用作功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中硅器件的直接替代品。 GaN 晶體管的驅(qū)動(dòng)更具挑戰(zhàn)性，特別是當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路距離晶體管有一定距離時(shí)。 GaN 器件開(kāi)啟速度非常快，如果沒(méi)有仔細(xì)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路，可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題，甚至破壞性振蕩。 GaN 器件通常處于“常開(kāi)”狀態(tài)，這對(duì)于電源開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)并不理想，因此分立式 GaN 開(kāi)關(guān)通常與共源共柵布置中的低壓硅晶體管配對(duì)。
為了幫助客戶實(shí)現(xiàn)可靠耐用的設(shè)計(jì)并加快上市時(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 具有用于 GaN 初級(jí)側(cè)和次級(jí)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(shí)現(xiàn)安全柵之間的反饋信息傳輸，絕緣性能符合國(guó)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(jí)和次級(jí)控制器以及 GaN 主開(kāi)關(guān)。該器件提供完整的 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(dòng)態(tài)調(diào)整；稱為 InnoSwitch3-MX 的多輸出版本；以及 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC LYTSwitch-6。
GaN即將推向市場(chǎng)。越來(lái)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(shì)。當(dāng)高達(dá) 100W 的反激式 AC/DC 電源可用時(shí)，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)人員選擇 GaN 來(lái)設(shè)計(jì)更小、更輕、更冷且更可靠的電源。
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