氮化鎵(GaN)與矽(Si)的MOS開關比較

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。