电源提示：GaN 器件如何提高谐振转换器效率

近年来，诸如氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 场效应晶体管 (FET) 之类的宽带隙功率器件已开始商用。与高压 (≥600V) 硅 FET 相比，GaN 和 SiC FET 通常具有更低的导通电阻 (R ds(on) )、更低的输出电容 (C oss ) 和更少/没有反向恢复电荷 (Q rr )。由于其较低的开关损耗，我们可以大大提高具有宽带隙功率器件的硬开关转换器的效率。

将 GaN FET 应用于谐振转换器可通过减少磁损耗来提高效率。氮化镓晶体管和碳化硅MOSFET日益引起工业界，特别是电气工程师的重视。之所以电气工程师如此重视这两种功率半导体，是因为其材料与传统的硅材料相比有诸多的优点，如图1所示。氮化镓和碳化硅材料更大的禁带宽度，更高的临界场强使得基于这两种材料制作的功率半导体具有高耐压，低导通电阻，寄生参数小等优异特性。当应用于开关电源领域中，具有损耗小，工作频率高，可靠性高等优点，可以大大提升开关电源的效率，功率密度和可靠性等性能
让我们以图 1 所示的电感-电感-电容串联谐振转换器 (LLC-SRC) 为例。LLC-SRC 使用存储在谐振电感 (L r ) 中的能量对输入开关网络中的 MOSFET 输出电容器进行放电。如果在 MOSFET 栅极信号变高之前输出电容电压放电至零，则可以实现零导通损耗。

图 1：LLC SRC

图 2 显示了 LLC-SRC 的关键波形。在 MOSFET 的开关瞬态期间，i Lr等于流过 L m的最大电流，如公式 1 所示：

电流 I Lm（假设在死区时间保持不变）对一个 MOSFET的 C oss进行放电并为另一个 MOSFET的 C oss充电。假设半桥的两个 MOSFET的 C oss相同，并且我们可以忽略变压器的绕组间电容，公式 2 表示可以实现零开通损耗的最大电感：

图 2：LLC-SRC 开关波形

现在让我们假设我们正在使用 LLC-SRC在相同的 400V IN到 12V OUT转换规范上选择 GaN FET 和硅 FET 。TI 的LMG3410  GaN 器件具有 70mΩ 的导通电阻和 95pF 的输出电容（与能量相关）。我发现一个 70mΩ 硅 FET 具有 140pF 的输出电容。如果我们选择的匝数比为 n = 16，并且 LLC-SRC 的目标最大开关频率为 750kHz，则 L m,maxTI 的 LMG3410 为 134µH，带有 140pF 输出电容器的硅 FET 为 91µH。作为输入开关，如果使用相同的内核，带有硅 FET 的 LLC-SRC 变压器的气隙将比带有 LMG3410 的变压器宽。由于气隙较宽，变压器导线上的涡流损耗会更大。

图 3 显示了相同的 LLC-SRC 在相同的测试条件下具有不同变压器气隙的热性能。如我们所见，具有较宽气隙的变压器上的线损比具有较窄气隙的变压器高得多。因此，使用具有较低 C oss 的GaN 器件有助于降低谐振转换器中的磁损耗。

图 3：LLC-SRC 变压器在 400V IN、12V/42A 输出时的热性能，L m = 100µH（更窄的气隙）（a）；和 L m = 70µH（更宽的气隙）(b)

虽然在这篇文章中，我讨论了在谐振转换器上使用 GaN 器件的好处——输出电容较低，从而减少变压器损耗——但 TI GaN 器件（如 LMG3410）不仅提供低 R ds(on)和 C oss，而且还包含多种保护，例如过流和过热保护。通过所有这些保护，转换器的可靠性大大提高。

目前业界的氮化镓晶体管产品是平面结构，即源极，门极和漏极在同一平面内，这与与超级结技术(Super Junction)为代表的硅MOSFET的垂直结构不同。门极下面的P-GaN结构形成了前面所述的增强型氮化镓晶体管。漏极旁边的另一个p-GaN结构是为了解决氮化镓晶体管中常出现的电流坍陷(Current collapse)问题。英飞凌科技有限公司的CoolGaN产品的基材（Substrate）采用硅材料，这样可以大大降低氮化镓晶体管的材料成本。由于硅材料和氮化镓材料的热膨胀系数差异很大，因此在基材和GaN之间增加了许多过渡层(Transition layers)，从而保证氮化镓晶体管在高低温循环，高低温冲击等恶劣工况下不会出现晶圆分层等失效问题。氮化镓晶体管没有体二极管但仍旧可以反向通流，因此非常适合用于需要功率开关反向通流且会被硬关断(hard-commutation)的电路，如电流连续模式(CCM)的图腾柱无桥PFC中，可以获得极高的可靠性和效率，