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[经验] 氮化镓与矽的MOS开关比较

2019-9-19 09:05:03  206 氮化镓
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由於寬能隙功率元件的優異切換性能,近幾年已經漸漸被商用化。常見的問題,如:究竟寬能隙元件對於系統的功率密度與效率的提升幫助有多少?原先所使用的以矽為基礎的元件在更複雜的拓撲與控制機制,是否需要付出更大的成本?本文會以適配器(Adaptor)的應用來做說明。


圖1目標產品應用種類



氮化鎵(GaN)是橫向結構的功率元件,其具有小於矽(Si)的十分之一以下的閘極電荷(Qg)與輸出電荷(Qoss),且沒有逆向回復電流(Irr)的問題。因此很適合被設計於高功率密度的電源適配器,並在所有負載範圍操作,都能達到零電壓切換,可有效降低開關的切換損失。

圖2 超接面Si與GaN元件的關鍵屬性比較(Rds(on)=100mΩ)


元件特性:
當氮化鎵元件與矽功率元件比較時,超接面Si元件(SuperJunction)顯然是目前業界最主要的選擇。檢視當前最新的技術,超接面元件已經問世將近20年,經多個世代的演進,可以同時達到低導通電阻,以及低雜散電容,所以元件可以做快速地切換。


圖3 超接面元件與增強型模式氮化電晶體的輸出電容(Coss)特性



圖4 儲存在輸出電容的能量(Eoss)


即使氮化鎵元件的輸出電容在低壓時具有較小的值,但是實際儲存在輸出電容的能量值卻相當接近於超接面元件。這個能量在硬切換的每一個週期,會變成熱而散掉,所以氮化鎵的真正價值是在於柔性切換應用,因其具有逆向回復損失(Reverse recovery)為零的特性,以及Qoss比較小之優勢。



圖5 Qoss和電壓的比較,左圖為增強型模式氮化元件,右圖為超接面元件


驅動線路:

一般閘極驅動線路如圖6(a)所示,閘極導通與關斷瞬間之正與負電流以及穩態電流如下。



另外,Ion電流是由Ron電阻所決定,而穩態電流ISS則是取決於RSS,如圖6(b)所示。其中,VN看似消失了,但其實是不需要,因為Con會將閘極驅動位準做位移而形成負電位。




圖6 閘極驅動線路(a)、簡化之驅動線路(b)、閘極電荷特性(c)、閘極電流(d)


實際應用:
這裡使用一個以非對稱PWM反馳式(flyback)拓撲的65W適配器為測試平台。如圖7所示,非對稱PWM Flyback拓撲的原理,是利用激磁電流來幫助一次側開關達到零電壓切換,二次側同整達到零電流切換,以求最高的轉換效率。電路架構如圖8所示。

圖7 非對稱PWM Flyback之65W USB-PD適配器



圖8 具有同步整流的非對稱PWM Flyback



圖9 非對稱PWM Flyback典型波型
藍色(LC諧振電流) ; 紅色(激磁電流) ; 黃色(次級測電流)


這個適配器支援USB-PD功能,提供多組不同輸出電壓,從5V/3A到20V/3.25A,操作頻率範圍為100kHz~220kHz,取決於輸入與輸出電壓,並且搭配使用500V/140mΩ的超接面元件,最高效率可達94.8%,當Vin為90V時,滿載效率則為93%,整體來說,對於系統效率在滿載和所有的輸入電壓範圍可以提高約0.4%,整體效率如圖8所示。



圖10 紅色曲線為超接面元件500V/140mΩ的滿載效率,
藍色曲線為氮化元件600V/190mΩ的滿載效率,Vo=20V



結論:
本文介紹了氮化鎵元件之特性,並且列舉氮化鎵元件於適配器上的應用範例。根據實際的測試結果,當應用於柔性切換拓撲時,氮化鎵元件是會比超接面元件更具有出色的效率表現。這是由於氮化鎵元件的Qoss大幅降低,能夠以較低的激磁電流來達到零電壓切換,因此變壓器和功率元件的導通損失(Conduction-loss)可以被降低。另外,較小的閘極電荷Qg也同時降低了驅動損失,而較小的Coss,則可降低關斷時的切換損失(switching-loss)。逆向回復損失(Reverse recovery)為零的特性也能提升切換穩定度。
藉由專屬的驅動IC,可快速導通及關斷GaN元件。且在關斷的同時可保持閘極電位為零,避免開關誤導通也可降低dead-time造成的損失。並且使訊號隔離達到安全的絕緣標準。因此要想提高功率密度,使用氮化鎵元件是必須的,只要轉換器件的效率提升,所產生的熱也會相對減少,散熱片就可以縮小,自然就能有效縮減體積。


參考出處-英飛凌官網Wide bandgap Semiconductors (SiC/GaN) & Gate Driver IC

https://www.infineon.com/cms/en/product/power/wide-band-gap-semiconductors-sic-gan/gallium-nitride-gan/
https://www.infineon.com/cms/en/product/power/gate-driver-ics/high-side-gate-drivers-gan-eicedriver/?redirId=104516
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