氮化镓晶体管是如何提高开关效率的？

近几十年来，电力电子设备发展迅速，主要是由于半导体开关速度越来越快，这使得设计更小的电力存储组件（如电容器和电感）成为可能。结合更高的效率，这可以实现更小的电力电子元件，如电源单元和DC-DC转换器。

在过去的几十年里，半导体开关得到了不断的增强。最新的半导体开关，例如超级结MOSFET（SJ）、碳化硅MOSFET（SiC）和氮化镓（GaN）晶体管，其开关时间比传统MOSFET短近10倍。这导致开关损耗显著降低，进而允许更高的开关频率。由于这一点和效率的提高，可以实现更小的开关电源设计体积。

这些优势并不适用于用于开关电源和 DC-DC 转换器的所有开关拓扑。由于高效和低成本控制器IC的可用性，近年来使用了各种谐振转换器概念，其特点是在电源打开或关闭的那一刻，开关元件上的电流或电压已经为零，从而防止任何功率或能量损失（ZVS或ZCS： 零电压开关和零电流开关）。由于这些开关概念通常涉及真正的谐振转换器，原则上不会产生任何功率损耗，因此在使用开关速度更快的元件时，开关损耗不会进一步降低。例如，图 1 显示了典型 Traco Power 工业电源单元的一般电路图，输入端为 PFC 转换器，输出端为谐振转换器。整个电能流过标有L和C的元件，电容器和电感的值基本上根据谐振频率确定转换器的开关频率。

图1.Traco 开关电源的典型通用电路图，输入端有一个升压转换器，用于产生正弦输入电流，谐振转换器用于电位分离和电压调节

电源单元的输入配有升压DC-DC转换器（PFC转换器），该转换器在输入端强制准正弦电源输入电流以校正功率因数。下游谐振转换器用于调节电压电平，实现与电源电压的电气隔离，并调节电源电压和负载的变化。然而，由于谐振或半谐振开关PFC转换器非常复杂，只能以高度复杂的方式实现，因此使用新近可用的非常快速开关的晶体管作为有源高频开关为该升压转换器提供了可行的选择。

为了通过降低开关损耗，使用这些快速开关元件显著提高开关电源的效率，还必须降低二极管和整流器的导通损耗。在这方面，建议对升压转换器采用所谓的“图腾柱”拓扑。这使得传统使用的电源整流器具有相对较高的导电损耗从四个二极管减少到两个二极管成为可能。相应的详细信息如图 2 所示。该电路采用GaN晶体管进行设计和测试。优点和缺点以及相关的技术挑战如下所述。

图2.“图腾柱电路”用于校正电源输入电流的功率因数。

为什么使用氮化镓？

超级结型MOSFET（SJ）开关速度非常快，易于更换，而且价格低廉且易于获得。缺点是在较高开关频率下工作时控制功率相对较高，开关损耗高，以及体二极管在反向操作中的恢复时间较长。

碳化硅 MOSFET （SiC） 比 SJ MOSFET 更快，非常适合高阻塞电压，并具有强大的雪崩行为和具有较短反向恢复时间的体二极管。然而，这些晶体管的控制要复杂一些，因为可能需要负栅极预载。

氮化镓（GaN）晶体管通常有两种不同的设计：自导和自阻塞。根据类型和制造商的不同，这会导致对这些组件的栅极控制有不同的要求。然而，GaN晶体管的优势在于开关时间缩短了十倍，并且消除了体二极管。在某些情况下，这一优势可能证明有必要增加控制和管理这些组成部分的支出。为了能够充分利用GaN晶体管的所有优点，需要一个更复杂的栅极控制电路，该电路通常已经集成到开关断路器的芯片中。缺点是不同制造商的组件不再兼容，并且不容易相互交换。

通过升压转换器和氮化镓晶体管实现快速开关

在图3中，升压转换器被设计为“图腾柱电路”。输出电压始终高于输入电压。根据输入电压的极性，两个晶体管交替用作有源开关或扼流电流的有源续流二极管。这些晶体管交替控制占空比为“D”和“（1-D）”。当两个开关都使用非常快速开关的GaN晶体管时，该级可以在连续扼流圈电流下工作。这意味着当开关打开或关闭时，扼流圈电流不必为零，因为只会产生非常低的开关损耗。因此，存储扼流圈可以在明显较低的高频交流电下工作。由于在控制技术方面，通过扼流圈和整流二极管的电流得到适当控制，以进一步降低功率损耗，因此整流二极管也可以用导通电阻非常低的SJ MOSFET代替。这导致进一步降低总功率损耗，从而也提高效率。

图3.图腾柱输入转换器，带输入和输出滤波器，可防止无线电干扰

由于GaN晶体管的开关时间仅为几纳秒，因此寄生电感和容量会产生极高频振荡，从而导致输入和输出端的严重干扰，并对测量产生负面影响。因此，使用了图3所示的滤波器。在GaN晶体管漏极和源极端子之间测量的开关信号的测量值如图4所示;相关的测量设计如图5所示。使用此处使用的GaN晶体管时，很明显，与漏极源极并联的SiC二极管（D3和D4）对于防止死区时间内的振荡是必要的（GaN反向导通，栅极“关闭”）。

图 4 a

图4 b

图4.PFC转换器中GaN晶体管的开关行为，具有（a）和不具有（b）外部SiC并联二极管，用于防止瞬态响应

GaN晶体管漏源电压的关断行为测量如图4所示，包括使用和不使用外部并联二极管。开关过程耗时不到 7 纳秒，比标准 MOSFET 短约 10 倍。与传统的MOSFET开关相比，这也导致导通和关断损耗降低了相同的系数。

图5.测量设计。图片由 Bodo 的动力系统提供 ［PDF］

上图所示电路设计输出功率为1000 W;两个开关晶体管是80mOhm GaN晶体管。控制和调节是离散和模拟设置的，因此可以影响和设置所有操作参数。关断后的振荡（如图4b所示）会产生难以滤除的高频干扰，需要大量的滤波工作;因此，必须避免它们。

使用GaN晶体管降低电感

损耗和电感大小对升压转换器（PFC转换器）的效率有重大影响。电感的存储能量与接通和关断期间的电流幅度呈二次关系;同时，欧姆损耗与电流呈二次增加。另一方面，电感中的磁滞损耗取决于磁芯的体积、电流的交流分量，从而取决于磁流密度和开关频率变化的行程。评估的测试设计使用的平均开关频率为100kHz。110VAC和230VAC输入电压的扼流圈电流测量值如图6所示。由于纹波电流水平取决于输入电压和升压电压之间的差异，因此较低的输入电压（图6a）比具有较高电压的操作（图6b）导致更高的纹波电流。在低输入电压下，电感中磁性材料的热损失要大得多，因此必须考虑到这种不利的工作情况。

由于磁芯损耗随着电感中电流的纹波因数降低而降低，因此，尽管比磁滞损耗相对较高，但采用GaN晶体管的PFC转换器提供了使用磁性材料作为具有非常高磁饱和磁通密度的电感的选项。这使得在几百kHz的低开关损耗下使用更高的开关频率成为可能。这样可以进一步减小电感的结构尺寸。

图 6 扼流圈中的电流 （L2） @ 110V

图 6 b 扼流圈中的电流 （L2）@ 230V

图6.测量升压转换器（PFC转换器）电感中的电流，a）电源输入电压为110VAC和b）电源输入电压为230VAC

干扰增加

GaN晶体管中的短开关过程导致产生方波电流和电压，由于极高的激活和失活边缘，会产生高频干扰电压和电流。这些是不希望的，必须进行适当的过滤，以防止电磁干扰通过连接线或辐射从开关电源传输到周围环境。共模干扰最难滤除;相应的测量结果如图7所示。

图7.PFC 转换器在满载 1000 W 和电源电压为 230 VAC 时的共模干扰电流（绿色）和共模干扰电压（红色

详细视图显示，100Hz的共模电压会非常快速地反转其极性;高频比例是由升压二极管的能量恢复引起的。在此过程中，电流无法找到通过二极管D1 D2的路径，因此通过Y电容作为共模电流流回电网。使用有源升压二极管的智能控制，并用MOSFET代替无源整流二极管D1 D2，可以显著降低该电流。

提高效率，减小结构尺寸

PFC转换器的效率通常由半导体开关的导通和开关损耗以及电感的欧姆和磁化损耗组成。测量总损失并计算个人损失的比例;它们如图 8 所示。

图8.在 230 VAC 的电源电压下，将相对于电源输入电压的总损耗分配给各个组件。

由于在较低的输入电压下电流较高，电感磁性材料中的损耗较高，因此效率在很大程度上取决于电源输入电压。图 9 总结了这种关系。

图9. 与带有SJ MOSFET（橙色）的“边界模式交错”PFC相比，带有GaN晶体管（蓝色）的图腾柱PFC转换器相对于电源输入电压的整体效率。

在PFC转换器中使用具有合适电路设计的GaN晶体管可以实现超过99%的极高效率。然而，经济上可行的GaN晶体管在低主电压下的导通电阻仍然过高，必须使用激活的MOSFET作为主二极管。这使得效率比采用带桥式整流器的传统MOSFET的PFC转换器高3%至5%。在开关电源中结合使用PFC转换器和谐振转换器可使整体效率超过96%。

在开关电源中使用GaN晶体管为开关频率、效率和结构尺寸开辟了新的可能性。然而，为了经济地使用输出高达1000 W的开关电源和DC-DC转换器，一个先决条件是进一步降低这些组件的价格。
审核编辑：陈陈