GaN 器件如何提高諧振轉(zhuǎn)換器效率

隨著硅接近其物理極限，電子制造商正在轉(zhuǎn)向非傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，尤其是寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體，例如碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等。因?yàn)閷拵恫牧暇哂邢鄬?duì)寬的帶隙(與常用的硅相比)，所以寬帶隙器件可以在高電壓，高溫和高頻率下工作。寬帶隙器件可以提高能效和延長(zhǎng)電池壽命，這有助于推動(dòng)寬帶隙半導(dǎo)體的市場(chǎng)。

雖然氮化鎵和碳化硅的功率水平有一些重疊，但各自解決的功率需求是不同的。碳化硅器件提供高達(dá)1700V的電壓和高電流承載能力。這使得它們很適合于汽車和機(jī)車牽引逆變器、大功率太陽(yáng)能發(fā)電站和大型三相電網(wǎng)變流器等應(yīng)用。碳化硅進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間略長(zhǎng)，因此它有更多的選擇，例如，相比目前可用的氮化鎵解決方案，碳化硅支持更廣泛的電壓和導(dǎo)通電阻。

近年來，諸如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 之類的寬帶隙功率器件已開始商用。與高壓 (≥600V) 硅 FET 相比，GaN 和 SiC FET 通常具有更低的導(dǎo)通電阻 (R ds(on) )、更低的輸出電容 (C oss ) 和更少/沒有反向恢復(fù)電荷 (Q rr )。由于其較低的開關(guān)損耗，我們可以大大提高具有寬帶隙功率器件的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器的效率。

與硅相比，寬帶隙材料的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

· 較低的導(dǎo)通電阻

· 更高的擊穿電壓

· 更高的熱導(dǎo)率

· 在較高溫度下運(yùn)行

· 更高的可靠性

· 接近零的反向恢復(fù)時(shí)間

· 優(yōu)異的高頻性能

將 GaN FET 應(yīng)用于諧振轉(zhuǎn)換器可通過減少磁損耗來提高效率。讓我們以圖 1 所示的電感-電感-電容串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (LLC-SRC) 為例。LLC-SRC 使用存儲(chǔ)在諧振電感 (L r ) 中的能量對(duì)輸入開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的 MOSFET 輸出電容器進(jìn)行放電。如果在 MOSFET 柵極信號(hào)變高之前輸出電容電壓放電至零，則可以實(shí)現(xiàn)零導(dǎo)通損耗。

在 MOSFET 的開關(guān)瞬態(tài)期間，i Lr等于流過 L m的最大電流，如公式 1 所示：

電流 I Lm(假設(shè)在死區(qū)時(shí)間保持不變)對(duì)一個(gè) MOSFET 的 C oss進(jìn)行放電并為另一個(gè) MOSFET 的 C oss充電。假設(shè)半橋的兩個(gè) MOSFET 的C oss相同，并且可以忽略變壓器的繞組間電容，公式 2 表示可以實(shí)現(xiàn)零開通損耗的最大電感：

現(xiàn)在讓我們假設(shè)我們正在使用 LLC-SRC在相同的 400V IN到 12V OUT轉(zhuǎn)換規(guī)范上選擇 GaN FET 和硅 FET 。TI 的LMG3410 GaN 器件具有 70mΩ 的導(dǎo)通電阻和 95pF 的輸出電容(與能量相關(guān))。我發(fā)現(xiàn)一個(gè) 70mΩ 硅 FET 具有 140pF 的輸出電容。如果我們選擇的匝數(shù)比為 n = 16，并且 LLC-SRC 的目標(biāo)最大開關(guān)頻率為 750kHz，則 L m,maxTI 的 LMG3410 為 134μH，帶有 140pF 輸出電容器的硅 FET 為 91μH。作為輸入開關(guān)，如果使用相同的內(nèi)核，帶有硅 FET 的 LLC-SRC 變壓器的氣隙將比帶有 LMG3410 的變壓器寬。由于氣隙較寬，變壓器導(dǎo)線上的渦流損耗會(huì)更大。

相同的 LLC-SRC 在相同的測(cè)試條件下具有不同變壓器氣隙的熱性能。如我們所見，具有較寬氣隙的變壓器上的線損比具有較窄氣隙的變壓器高得多。因此，使用具有較低 C oss的 GaN 器件有助于降低諧振轉(zhuǎn)換器中的磁損耗。

雖然在這篇文章中中，我討論了在諧振轉(zhuǎn)換器上使用 GaN 器件的好處——更低的輸出電容，從而減少變壓器損耗——但 TI GaN 器件(例如 LMG3410)不僅提供低 R ds(on)和 C oss，而且還集成了多種保護(hù)功能，例如過流和過熱保護(hù)。通過所有這些保護(hù)，轉(zhuǎn)換器的可靠性大大提高。