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GaN如何提高效率?

文章來源: 振歡電子 人氣:1615 發(fā)表時(shí)間:2023-06-13 08:47:09

上篇推文我們講到了氮化鎵GaN是什么,那么今天這篇文章我們將跟大家分享GaN如何提高效率!

功率晶體管是造成開關(guān)電源功率損耗的主要因素之一。晶體管損耗通常分為兩類;傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。傳導(dǎo)損耗是指晶體管接通電流時(shí)引起的損耗,而開關(guān)損耗則是在開關(guān)狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)生的損耗。


打開之后的GaN晶體管(和硅晶體管一樣)就像是設(shè)在漏源之間的電阻,通常表示為Ron,傳導(dǎo)損耗與此電阻成比例。GaN和其他WBG材料的主要優(yōu)勢(shì)是它們?cè)趽舸╇妷汉蚏on之間的關(guān)系。圖1顯示了硅、GaN和碳化硅(SiC,另外一種WBG材料)的這種關(guān)系的理論限值。可以看出,達(dá)到給定的擊穿電壓時(shí),WBG設(shè)備的Ron遠(yuǎn)低于硅,GaN是三者當(dāng)中最低的。由于硅即將達(dá)到理論限值,要繼續(xù)提高Ron,就需要使用GaN和其他WBG材料。

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圖1:Si、GaN和SiC晶體管的Ron相對(duì)于擊穿電壓的理論限值

除了改善傳導(dǎo)損耗之外,使用GaN還可以減少開關(guān)損耗。多種因素都會(huì)引發(fā)開關(guān)損耗,其中有幾種可以通過使用GaN加以改善。一種損耗機(jī)制是由于晶體管中的電流在漏源電壓開始下降之前就開始流動(dòng),如圖2所示。在此期間,損耗(等于電壓電流乘積)非常大。提高開關(guān)開啟的速度將降低轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生的損耗。GaN晶體管可以比硅晶體管更快開啟,所以能夠降低這種轉(zhuǎn)換造成的損耗。

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圖2:開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的漏電壓和電流波形


GaN降低開關(guān)損耗的另一種方法是不使用體二極管。為避免發(fā)生短路情況,半橋的兩個(gè)開關(guān)均斷開時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)時(shí)間段,稱為“死區(qū)時(shí)間”。在此期間,電流繼續(xù)流動(dòng),但是由于兩個(gè)開關(guān)均已關(guān)閉,所以會(huì)迫使電流通過體二極管。體二極管開啟后的效率比硅晶體管的Ron電阻低得多。GaN晶體管沒有體二極管。原本流經(jīng)硅晶體管體二極管的電流反而會(huì)流經(jīng)Ron電阻。這顯著降低了死區(qū)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的損耗。


由于硅晶體管的體二極管在死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通,因此必須在打開另一個(gè)開關(guān)時(shí)將其關(guān)閉。在此期間,電流會(huì)在二極管關(guān)閉后反向流動(dòng),從而增加損耗。GaN晶體管中不存在體二極管,所以反向恢復(fù)損耗接近零。

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