学技术 | 氮化镓（GaN）与硅（Si）的MOS开关比较

 

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。