GaN 器件如何提高谐振转换器效率

随着硅接近其物理极限，电子制造商正在转向非传统的半导体材料，尤其是宽带隙(WBG)半导体，例如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等。因为宽带隙材料具有相对宽的带隙(与常用的硅相比)，所以宽带隙器件可以在高电压，高温和高频率下工作。宽带隙器件可以提高能效和延长电池寿命，这有助于推动宽带隙半导体的市场。

虽然氮化镓和碳化硅的功率水平有一些重叠，但各自解决的功率需求是不同的。碳化硅器件提供高达1700V的电压和高电流承载能力。这使得它们很适合于汽车和机车牵引逆变器、大功率太阳能发电站和大型三相电网变流器等应用。碳化硅进入市场的时间略长，因此它有更多的选择，例如，相比目前可用的氮化镓解决方案，碳化硅支持更广泛的电压和导通电阻。

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。

与硅相比，宽带隙材料的主要优点包括：

· 较低的导通电阻

· 更高的击穿电压

· 更高的热导率

· 在较高温度下运行

· 更高的可靠性

· 接近零的反向恢复时间

· 优异的高频性能

将 GaN FET 应用于谐振转换器可通过减少磁损耗来提高效率。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。

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：

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。

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。

虽然在这篇文章中中，我讨论了在谐振转换器上使用 GaN 器件的好处——更低的输出电容，从而减少变压器损耗——但 TI GaN 器件(例如 LMG3410)不仅提供低 R ds(on)和 C oss，而且还集成了多种保护功能，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。