氮化镓(GaN)如何实现更小更高效的电源

2020年1月7日 作者:Ron Stull

氮化镓(GaN)如何实现更小更高效的电源

GaN是什么?

氮化镓(GaN)是一种宽带隙(WBG)半导体材料。GaN和硅一样,也可用于制造二极管和晶体管等半导体设备。电力电子设备行业对于开发GaN晶体管用于代替硅MOSFET,表现出尤其浓厚的兴趣。GaN用作晶体管时,在各主要方面都表现出相较于硅的显著优势,能够帮助电源制造商在大幅提高效率的同时,缩小设备的尺寸和重量。

GaN如何提高效率?

功率晶体管是造成开关电源功率损耗的主要因素之一。晶体管损耗通常分为两类;传导损耗和开关损耗。传导损耗是指晶体管接通电流时引起的损耗,而开关损耗则是在开关状态之间转换时发生的损耗。

打开之后的GaN晶体管(和硅晶体管一样)就像是设在漏源之间的电阻,通常表示为Ron,传导损耗与此电阻成比例。GaN和其他WBG材料的主要优势是它们在击穿电压和导通电阻之间的关系。图1显示了硅、GaN和碳化硅(Sic,另外一种WBG材料)的这种关系的理论限值。可以看出,达到给定的击穿电压时,WBG设备的Ron远低于硅,GaN是三者当中最低的。由于硅即将达到理论限值,要继续提高Ron,就需要使用GaN和其他WBG材料。

图示R<sub>on</sub>相对于Si、GaN和SiC晶体管的Vds的理论限值。
图1:Ron相对于Si、GaN和SiC晶体管的Vds的理论限值

除了改善传导损耗之外,使用GaN还可以减少开关损耗。多种因素都会引发开关损耗,其中有几种可以通过使用GaN加以改善。一种损耗机制是由于FET中的电流在漏源电压开始下降之前就开始流动,如图2所示。在此期间,损耗(等于电压电流乘积)非常大。提高开关开启的速度将降低转换期间产生的损耗。GaN晶体管可以比硅FET更快开启,所以能够降低这种转换造成的损耗。

图示开关转换期间的漏电压和电流波形
图2:开关转换期间的漏电压和电流波形

GaN降低开关损耗的另一种方法是不使用体二极管。为避免发生短路情况,半桥的两个开关均断开时会出现一个时间段,称为“死区时间”。在此期间,电流继续流动,但是由于两个开关均已关闭,所以会迫使电流通过体二极管。体二极管开启后的效率比硅MOSFET的Ron电阻低得多。GaN FET没有体二极管。原本流经硅FET体二极管的电流反而会流经Ron电阻。这显著降低了死区时间内产生的损耗。

由于硅晶体管的体二极管在死区时间内导通,因此必须在打开另一个开关时将其关闭。在此期间,电流会在二极管关闭后反向流动,从而增加损耗。GaN FET中不存在体二极管,所以反向恢复损耗接近零。

GaN如何缩小外形尺寸?

尽管在开关期间只会发生短暂的开关损耗,但是观察其长期平均值很有用处。尽管单个开关转换期间的损耗可能很大,但是如果延长两次开关的间隔时间(意味着开关频率较低),就能将平均值保持在安全水平。GaN的开关损耗较低,所以能够缩短开关时间,从而提高开关频率。开关频率提高之后即可缩小许多大型组件(例如变压器、电感器和输出电容器)的尺寸。

GaN和其他WBG器件还具有更好的导热性,并且可以承受比硅更高的温度。这两个优点都有助于减少对热管理组件(例如笨重的散热器、框架或风扇)的需求。不使用这些设备(以及前面提到的动力总成组件的缩小)能显著缩小电源的整体尺寸。

GaN外部桌面式电源适配器

在CUI的最新桌面式适配器系列中应用GaN,可以提高效率、缩小尺寸并减轻重量。例如,CUI的SDI-200G-U桌面式适配器的增加了开关频率,使其尺寸缩小了一半以上,功率密度也从5.3W/in 3提高到11.4W/in 3,如下图3所示。这也导致重量减轻了32%(820g至560g)。采用适配器能够减少传导损耗和开关损耗,实现高达95%的效率。与传统的硅基电源相比,这些GaN桌面式适配器在效率、尺寸和重量方面都实现了重大改进。

图解硅和GaN两种材质适配器的比较。
图3:硅和GaN两种材质适配器的比较

结论

电源制造商一直在寻找提高产品效率和功率密度的方法。多年来的许多收获都是来自对电源内部使用的硅开关的改进。但是由于硅达到其物理限值,制造商不得不寻求其他方面的改进。使用GaN(损耗更低且开关速度更快),制造商能够克服硅的局限性,从而设计更小更高效的电源,同时仍然留出空间,以便随着GaN的继续发展实现改进。这些改进可以在CUI的最新一代GaN适配器中直接看到。

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Ron Stull

Ron Stull

电源系统工程师

Ron Stull自2009年加入CUI以来,在模拟和数字电源以及AC-DC和DC-DC功率转换方面积累了丰富的知识和经验。他在CUI的工程团队中发挥重要作用,其职责包括应用支持、测试和验证以及设计。在从事电力工程工作之余,Ron会与他的妻子一起弹吉他、跑步和参加户外旅行,他们的目标是游遍所有美国国家公园。

 
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