如何有效利用氮化镓提高晶体管的应用？

wjunxi

氮化镓晶体管       


　　如今，越来越多的设计人员在各种应用中使用基于GaN的反激式AC/DC电源。氮化镓很重要，因为它有助于提高功率晶体管的效率，从而减小电源的尺寸并降低工作温度。

　　晶体管，无论是由硅还是氮化镓制成，都不是理想的器件，有两个主要因素导致其效率下降（在简化模型中）：一个是串联电阻，称为RDS（ON），另一个是并联电容器称为COSS。这两个晶体管参数限制了电源的性能。GaN是一种新技术，设计人员可以利用它来减少由于晶体管特性差异而对功率性能的影响。在所有晶体管中，随着RDS(ON)减小，芯片尺寸增大，从而导致寄生COSS增大。在GaN晶体管中，COSS增加与RDS(ON)减少的比率要低一个数量级。

　　RDS(ON)是开关导通时的电阻，会产生导通损耗。COSS的功率损耗等于CV2/2。当晶体管导通时，COSS通过RDS(ON)放电，产生导通损耗。传导损耗等于(CV2/2)xf，其中f是开关频率。用GaN开关代替硅开关可降低RDS(ON)和COSS值，从而能够设计更高效的电源或实现更高频率的操作，同时对效率的影响更小，这有助于缩小变压器的尺寸。

　　GaN如何降低传导和开关损耗

　　增加晶体管尺寸的后果：随着晶体管变大，RDS(ON)会减小。这没有问题。然而，随着晶体管变大，（显然）面积变大，因此寄生电容COSS也会增加。这不是什么好事。最佳晶体管尺寸应最大限度地减少RDS(ON)和COSS的组合。该点通常位于RDS(ON)损耗减少的曲线与COSS损耗增加的曲线相交的位置。当曲线相交时，电阻和电容损耗的组合最低。

　　除了总RDS(ON)之外，还有一个称为“特定RDS(ON)”的参数，它将总导通电阻与每单位面积的芯片相关联。与硅相比，GaN的特定RDS(ON)非常低，因此可以实现更小的开关和更低的COSS。这意味着较小的GaN器件可以处理与较大硅器件相同的功率水平。

　　较低的RDS(ON)和较低的COSS损耗相结合，可以使用GaN设计更高效的电源，从而减少散热。所需散热量的减少也有助于实现更小的电源。频率是设计人员可以使用GaN来减小尺寸和优化功率性能的另一种工具。由于GaN本质上比硅更高效，因此可以提高GaN基电源的开关频率。虽然这会增加损耗，但它们仍然明显低于硅MOSFET，并减小了变压器的尺寸。