由于宽能隙功率元件的优异切换性能,近几年已经渐渐被商用化。常见的问题,如:究竟宽能隙元件对于系统的功率密度与效率的提升帮助有多少?原先所使用的以硅为基础的元件在更复杂的拓扑与控制机制,是否需要付出更大的成本?本文会以适配器(Adaptor)的应用来做说明。
氮化镓(GaN)是横向结构的功率元件,其具有小于硅(Si)的十分之一以下的闸极电荷(Qg)与输出电荷(Qoss),且没有逆向回复电流(Irr)的问题。因此很适合被设计于高功率密度的电源适配器,并在所有负载范围操作,都能达到零电压切换,可有效降低开关的切换损失。
图2超接面Si与GaN元件的关键属性比较(Rds(on)=100mΩ)
元件特性:
当氮化镓元件与硅功率元件比较时,超接面Si元件(SuperJunction)显然是目前业界最主要的选择。检视当前最新的技术,超接面元件已经问世将近20年,经多个世代的演进,可以同时达到低导通电阻,以及低杂散电容,所以元件可以做快速地切换。
图3超接面元件与增强型模式氮化晶体管的输出电容(Coss)特性
图4储存在输出电容的能量(Eoss)
即使氮化镓元件的输出电容在低压时具有较小的值,但是实际储存在输出电容的能量值却相当接近于超接面元件。这个能量在硬切换的每一个周期,会变成热而散掉,所以氮化镓的真正价值是在于柔性切换应用,因其具有逆向回复损失(Reverse recovery)为零的特性,以及Qoss比较小之优势。
图5 Qoss和电压的比较,左图为增强型模式氮化元件,右图为超接面元件
驱动线路:
一般闸极驱动线路如图6(a)所示,闸极导通与关断瞬间之正与负电流以及稳态电流如下。
另外,Ion电流是由Ron电阻所决定,而稳态电流ISS则是取决于RSS,如图6(b)所示。其中,VN看似消失了,但其实是不需要,因为Con会将闸极驱动位准做位移而形成负电位。
图6闸极驱动线路(a)、简化之驱动线路(b)、闸极电荷特性(c)、闸极电流(d)
实际应用:
这里使用一个以非对称PWM反驰式(Flyback)拓扑的65W适配器为测试平台。如图7所示,非对称PWM Flyback拓扑的原理,是利用激磁电流来帮助一次侧开关达到零电压切换,二次侧同整达到零电流切换,以求最高的转换效率。电路构架如图8所示。
图7非对称PWM Flyback之65W USB-PD适配器
图8具有同步整流的非对称PWM Flyback
图9非对称PWM Flyback典型波型
蓝色(LC谐振电流);红色(激磁电流);黄色(次级测电流)
这个适配器支持USB-PD功能,提供多组不同输出电压,从5V/3A到20V/3.25A,操作频率范围为100kHz~220kHz,取决于输入与输出电压,并且搭配使用500V/140mΩ的超接面元件,最高效率可达94.8%,当Vin为90V时,满载效率则为93%,整体来说,对于系统效率在满载和所有的输入电压范围可以提高约0.4%,整体效率如图8所示。
图10红色曲线为超接面元件500V/140mΩ的满载效率,蓝色曲线为氮化元件600V/190mΩ的满载效率,Vo=20V
结论:
本文介绍了氮化镓元件之特性,并且列举氮化镓元件于适配器上的应用示例。根据实际的测试结果,当应用于柔性切换拓扑时,氮化镓元件是会比超接面元件更具有出色的效率表现。这是由于氮化镓元件的Qoss大幅降低,能够以较低的激磁电流来达到零电压切换,因此变压器和功率元件的导通损失(Conduction-loss)可以被降低。另外,较小的闸极电荷Qg也同时降低了驱动损失,而较小的Coss,则可降低关断时的切换损失(Switching-loss)。逆向回复损失(Reverse recovery)为零的特性也能提升切换稳定度。
藉由专属的驱动IC,可快速导通及关断GaN元件。且在关断的同时可保持闸极电位为零,避免开关误导通也可降低dead-time造成的损失。并且使信号隔离达到安全的绝缘标准。因此要想提高功率密度,使用氮化镓元件是必须的,只要转换器件的效率提升,所产生的热也会相对减少,散热片就可以缩小,自然就能有效缩减体积。
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