如何有效利用氮化镓提高晶体管的应用？

如今，越来越多的设计人员在各种应用中使用基于 GaN 的反激式 AC/DC 电源。氮化镓很重要，因为它有助于提高功率晶体管的效率，从而减小电源的尺寸并降低工作温度。

晶体管，无论是由硅还是氮化镓制成，都不是理想的器件，有两个主要因素导致其效率下降(在简化模型中)：一个是串联电阻，称为 RDS(ON)，另一个是并联电容器称为 COSS。这两个晶体管参数限制了电源的性能。 GaN是一种新技术，设计人员可以利用它来减少由于晶体管特性差异而对功率性能的影响。在所有晶体管中，随着 RDS(ON) 减小，芯片尺寸增大，从而导致寄生 COSS 增大。在 GaN 晶体管中，COSS 增加与 RDS(ON) 减少的比率要低一个数量级。

RDS(ON)是开关导通时的电阻，会产生导通损耗。 COSS的功率损耗等于CV2/2。当晶体管导通时，COSS通过RDS(ON)放电，产生导通损耗。传导损耗等于 (CV2/2) xf，其中 f 是开关频率。用 GaN 开关代替硅开关可降低 RDS(ON)和 COSS值，从而能够设计更高效的电源或实现更高频率的操作，同时对效率的影响更小，这有助于缩小变压器的尺寸。

GaN 如何降低传导和开关损耗

增加晶体管尺寸的后果：随着晶体管变大，RDS(ON) 会减小。这没有问题。然而，随着晶体管变大，(显然)面积变大，因此寄生电容 COSS 也会增加。这不是什么好事。最佳晶体管尺寸应最大限度地减少 RDS(ON) 和 COSS 的组合。该点通常位于 RDS(ON) 损耗减少的曲线与 COSS 损耗增加的曲线相交的位置。当曲线相交时，电阻和电容损耗的组合最低。

除了总 RDS(ON) 之外，还有一个称为“特定 RDS(ON)”的参数，它将总导通电阻与每单位面积的芯片相关联。与硅相比，GaN 的特定 RDS(ON) 非常低，因此可以实现更小的开关和更低的 COSS。这意味着较小的 GaN 器件可以处理与较大硅器件相同的功率水平。

较低的 RDS(ON) 和较低的 COSS 损耗相结合，可以使用 GaN 设计更高效的电源，从而减少散热。所需散热量的减少也有助于实现更小的电源。频率是设计人员可以使用 GaN 来减小尺寸和优化功率性能的另一种工具。由于 GaN 本质上比硅更高效，因此可以提高 GaN 基电源的开关频率。虽然这会增加损耗，但它们仍然明显低于硅 MOSFET，并减小了变压器的尺寸。

以Keep Tops 品牌的氮化镓为例，在实际设计中，对于额定功率≤100W的基于GaN的反激式适配器，提供效率、尺寸和低成本的最佳组合的开关频率可以低于100kHz。对于 GaN，限制因素不是开关速度。随着 COSS 的显着降低，设计人员可以更灵活地优化开关频率以降低损耗，从而获得卓越的解决方案。

使用氮化镓提高电源效率

电源效率的提升是如何实现的?例如，Keep Tops对于使用硅 MOSFET 的 65W 反激式适配器，效率曲线在 10% 负载时约为 85%，在满负载时将达到 90% 以上(见图 4)。使用 Power Integrations (PI) 的基于 GaN 的 InnoSwitch 器件的 65W 反激式适配器在 10% 负载下的效率约为 88%。在满负载时，这种 GaN 设计的效率约为 94%。如果用GaN器件替代硅MOSFET，在整个负载范围内可以实现约3%的效率提升。

效率提高 3% 相当于浪费至少减少 35%。氮化镓设计消耗更少的能源，产生的热量减少 35%。这很重要，因为主电源开关通常是传统电源中最热的组件。氮化镓的冷却要求也会下降。电源将变得更小、更轻、更便携，而且由于部件的温度更低，电源将在更低的温度下工作，使用寿命更长。

Keep Tops如何使用 GaN 晶体管进行设计

分立式 GaN 晶体管不能用作功率转换器设计中硅器件的直接替代品。 GaN 晶体管的驱动更具挑战性，特别是当驱动电路距离晶体管有一定距离时。 GaN 器件开启速度非常快，如果没有仔细优化的驱动电路，可能会导致严重的电磁干扰问题，甚至破坏性振荡。 GaN 器件通常处于“常开”状态，这对于电源开关来说并不理想，因此分立式 GaN 开关通常与共源共栅布置中的低压硅晶体管配对。

为了帮助客户实现可靠耐用的设计并加快上市时间，PI推出了InnoSwitch3产品系列。这些高度集成的反激式开关 IC 具有用于 GaN 初级侧和次级侧同步整流器的内置控制器。 InnoSwitch3 IC空载功耗低，采用名为FluxLink的高带宽通信技术，可实现安全栅之间的反馈信息传输，绝缘性能符合国际安全标准。

InnoSwitch3-PD 是 InnoSwitch3 产品系列的最新成员，具有初级和次级控制器以及 GaN 主开关。该器件提供完整的 USB PD 和 PPS 接口功能，无需 USB PD + PPS 电源通常所需的微控制器。其他基于GaN的PI产品包括：InnoSwitch3-Pro，具有数字控制功能，支持电源电压和电流的动态调整;称为 InnoSwitch3-MX 的多输出版本;以及 LED 驱动器 IC LYTSwitch-6。

GaN即将推向市场。越来越多的应用，包括 USB PD 适配器、电视、白色家电和 LED 照明，总共 60 多种不同的应用，已经享受到了 GaN 的优势。当高达 100W 的反激式 AC/DC 电源可用时，越来越多的设计人员选择 GaN 来设计更小、更轻、更冷且更可靠的电源。

审核编辑：汤梓红