【導讀】如今
，越來越多的設計者在各種應用中使用基於氮化镓的反激式AC/DC電源。氮化镓之所以很重要，是由於其有助於提高功率晶體管的效率，從而減小電源尺寸，降低工作溫度。

晶體管無論是由矽還是由氮化镓製成，都不是理想的器件
，使其效率下降的兩個主要因素（在一個簡化模型中）：一個是串聯阻抗

，稱為RDS(ON)，另一個是並聯電容，稱為COSS。zhelianggejingtiguancanshuxianzhiledianyuandexingneng。danhuajiashiyizhongxinjishu
，shejizhekeyiyongtalaijiangdiyouyujingtiguantexingdebutongerduidianyuanxingnengchanshengdeyingxiang。zaisuoyoujingtiguanzhong，suizheRDS(ON)的減小，管芯尺寸會增加，這會導致寄生COSS也隨之增加。在氮化镓晶體管中，COSS的增加與RDS(ON)的減少之比要低一個數量級。

RDS(ON) 是開關接通時的電阻，它造成導通損耗。COSS的功率損耗等於CV2/2（見圖1）。當晶體管導通時，COSS通過RDS(ON)放電，導致導通損耗。導通損耗等於(CV2/2) x f

，其中f是開關頻率。用氮化镓開關替換矽開關會降低RDS(ON)和COSS的值，能夠設計出更高效的電源
，或實現在更高頻率下工作，而對效率的影響較小
，這有助於縮小變壓器的尺寸。

圖1：初級功率開關中的寄生電容

氮化镓如何降低導通和開關損耗

我們談到了增加晶體管尺寸的後果：隨著晶體管變大
，RDS(ON)會減小。這沒有問題。然而，隨著晶體管變大
，（顯然）麵積會更大，因此寄生電容COSS也會增加。這不是好事。最佳的晶體管尺寸應使RDS(ON)和COSS的組合最小化。該點通常位於降低RDS(ON)損耗的曲線與增加COSS損耗的曲線的相交處。當曲線相交時
，電阻和電容損耗的組合最低（見圖2）。

圖2：矽MOSFET中的功率損耗相對於器件尺寸的簡化示意圖

除了總RDS(ON)之外
，還有一個名為“特定RDS(ON)”的參數，該參數將總導通電阻與管芯單位麵積相關聯。與矽相比，氮化镓具有非常低的特定RDS(ON)，因此開關更小
，並且COSS也更低。這意味著更小的氮化镓器件可以處理與更大的矽器件相同的功率水平。

圖3：相較於矽MOSFET，氮化镓器件的總損耗更低 

較低的RDS(ON)和較小的COSSsunhaoxiangjiehe，keyishiyongdanhuajiashejichugenggaoxiaolvdedianyuan

，congerjianshaosanre。suoxuhaosanreliangdejiangdiyeyouzhuyusuoxiaodianyuanchicun。pinlvshishejizhekeyiyonglaijianxiaochicunheyouhuashiyongdanhuajiadedianyuanxingnengdelingyigeshouduan。youyudanhuajiabenzhishangbiguigenggaoxiao，yinciyoukenengtigaojiyudanhuajiadedianyuandekaiguanpinlv。suiranzhehuizengjiasunhao，dantamenrenghuixianzhudiyuguiMOSFET的損耗，並減小變壓器的尺寸。

變壓器結構的實際限製和電路中的寄生元件限製了開關頻率可以有效地提高到何種程度。在實際設計中，對於額定功率為≤100W的基於氮化镓的反激式適配器來說，能夠提供效率
、尺寸和低成本的最佳組合的開關頻率可以低於100kHz。對於氮化镓而言


，限製因素不是開關速度。隨著COSS的大幅減小，設計者有了更大的靈活性，可以針對損耗優化開關頻率，達成一個卓越的解決方案。

利用氮化镓提高電源效率

電源效率的提高究竟是如何實現的呢？舉例來說，對於一個使用矽MOSFET的65W反激式適配器
，其效率曲線在10%負載下處於約85%的範圍內

，在滿載時將達到90%以上（見圖4）。而一個使用Power Integrations (PI)公司基於氮化镓的InnoSwitch™器件的65W反激式適配器
，其效率在10%負載下將約為88%。在滿載時，這款氮化镓設計的效率將達到約94%。假如用氮化镓器件取代矽MOSFET
，在整個負載範圍內將可實現約3%的效率改進。

圖4：碳化矽與氮化镓適配器在滿載時的效率比較

效率提高3%相當於損耗減少至少35%。氮化镓設計的能耗更少
，產生的熱量減少35%。這zhe一yi點dian非fei常chang重zhong要yao，因yin為wei初chu級ji功gong率lv開kai關guan通tong常chang是shi傳chuan統tong電dian源yuan中zhong最zui熱re的de元yuan件jian。氮dan化hua镓jia的de散san熱re需xu求qiu也ye會hui下xia降jiang。電dian源yuan體ti積ji將jiang會hui更geng小xiao，重zhong量liang更geng輕qing，也ye更geng便bian攜xie
，並bing且qie由you於yu元yuan件jian的de溫wen度du較jiao低di，電dian源yuan的de工gong作zuo溫wen度du將jiang更geng低di，擁yong有you更geng長chang的de使shi用yong壽shou命ming。

如何使用氮化镓晶體管進行設計

zaigonglvbianhuanqishejizhong，fenlidedanhuajiajingtiguanbunengyongzuoguiqijiandezhijietidaipin。danhuajiajingtiguandequdonggengjutiaozhanxing，youqishizaiqudongdianlujujingtiguanyouyidingjulideqingkuangxia。danhuajiaqijiandedaotongsudufeichangkuai
，ruguomeiyoujingxinyouhuadequdongdianlu
，zhekenenghuidaozhidianciganraoshenzhipohuaixingzhendangdeyanzhongwenti。danhuajiaqijiantongchangshichuyu“常開”的狀態，這對於功率開關來說並不理想，因此分立的氮化镓開關通常與一個共源共柵排列的低壓矽晶體管搭配一起工作。

為了幫助客戶實現可靠耐用的設計並加快產品上市時間，PI推出了InnoSwitch3產品係列。這些高度集成的反激式開關IC已內置用於氮化镓初級側和次級側同步整流管的控製器。InnoSwitch3 IC具有低空載功耗

，並采用名為FluxLink™的高帶寬通信技術，該技術使反饋信息可在安規隔離帶之間傳遞，絕緣性能符合國際安全標準。 

InnoSwitch3-PD是InnoSwitch3產品係列的最新成員
，具有初級和次級控製器以及氮化镓初級開關。該器件可提供完整的USB PD和PPS接口功能，無需USB PD + PPS電源通常所需的微控製器。其他采用氮化镓的PI產品包括：采用數字控製並支持動態調整電源電壓和電流的InnoSwitch3-Pro
；名為InnoSwitch3-MX的多路輸出版本；以及LED驅動器IC LYTSwitch™-6。

圖5：InnoSwitch3集成解決方案利用氮化镓技術提供高性能反激式電源並加快開發時間

總結

氮化镓即將在市場大行其道。越來越多的應用，包括USB PD適配器、電視機
、白色家電和LED照明

，共超過60種不同的應用，已經在享受氮化镓帶來的好處。當可以使用不超過100W的反激式AC/DC電源時
，越來越多的設計者選擇氮化镓來設計體積更小、重量更輕、工作溫度更低、可靠性更高的電源。

來源：PI

注：原載於Bodos功率係統
，2021年11月22日

作者：Doug Bailey

，Power Integrations市場營銷副總裁

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