【導讀】工程師常常認為當應用需要更高電壓時，使用氮化鎵場效應晶體管(eGaN FET)在性能方面才更具優勢。但是，如果只是考慮開關品質因數，相比先進的MOSFET器件，200V的eGaN FET器件的優勢好像減弱了。GaN場效應晶體管與硅功率器件中低壓降壓轉換器應用中的性能到底怎樣？且聽本文細細分析。
工程師常常認為當應用需要更高電壓時，使用氮化鎵場效應晶體管(eGaN FET)在性能方面更具優勢。但我們從硅場效應晶體管(Silicon FET)及氮化鎵場效應晶體管的開關品質因數(FOM)與電壓關系的比較可以看到，eGaN FET在整個電壓范圍內具備更大優勢。如果只是考慮開關品質因數，相比先進的MOSFET器件，200V的eGaN FET器件的優勢好像減弱了。
可是，由于eGaN FET器件并沒有體二極管反向恢復(QRR)，其實際在電路的性能優勢可以更大。相反，在低電壓范圍內，eGaN FET器件在電路的性能優勢實際上沒有如品質因數所描述的卓越，這是因為受QRR影響的重要性減弱及體二極管前向壓降更為重要。此外，當我們所需器件的電壓降低至低于目前eGaN FET的電壓范圍，硅基開關解決方案如基于LDMOS的器件(帶或不帶垂直端子)將成為可行的另一個選擇。可是，eGaN FET的發展還在剛剛起步，它將來在低壓及高壓領域將同樣具更高性能優勢。下面我們將討論兩個具有不同電壓轉換范圍的降壓轉換器，并對它們與等效先進MOSFET器件的性能進行比較。
圖1：硅MOSFET及氮化鎵場效應晶體管的品質因數與電壓關系的比較
低壓降壓轉換器應用
很多負載點(POL)應用適合用于工作電壓為5V或12V電源軌的降壓轉換器。在更低電壓及小電流的情況下，功率MOSFET可以單片地集成，而在大電流 及高壓下，混合功率模塊及分立解決方案則非常普遍。按不同的負載要求，典型的電流值為每相20A，雖然單相的輸出功率也有可能高達40A。在較大的負載電 流要求如電壓調節模塊(VRM)，我們使用交織的多相降壓來提高效率及動態響應。目前逐步發展的V-core功率架構及其它敏感的負載所要求的更快動態響應及更高頻寬都會影響基于氮化鎵場效應晶體管的負載點解決方案的普及速度。在可實現的MHz開關頻率范圍內推動使用更小電感及電容，因此可實現更小型、具更低系統成本的、基于eGaN FET的負載點系統。使用電池的便攜應用(10V~12V)規定必需符合最小效率要求，但同時需要一個外置適配器使之可以工作在19V及工作在設計的熱限制下。19V輸入需要30V或以上的MOSFET器件。雖然負載電壓不同，但我們通常在1.2V輸出電壓對轉換器進行比較。
我們使用含eGaN FET的演示板(EPC9101)與使用相同降壓控制器的含MOSFET演示板(DC1640A-B)進行比較，后者經過修改，以匹配前者的輸入及輸出電容、電感及工作頻率。此外，所采納的MOSFET也改為與eGaN FET具相同導通電阻(RDS(ON))。測試電路板的照片如圖2所示。我們通過使用電路板上的電壓感應通孔，測量盡量接近實際轉換器電路的輸入及輸出電壓，測量結果見圖3。由于這個應用關注eGaN FET的體二極管具更高前向電壓，當首次測量效率時，死區時間增加至包括大約在每個開關邊緣(每個周期為20ns)的10ns體二極管傳導。此外，EPC2015器件與3A肖特基二極管并聯，并再次測量其效率。根據這些測量條件，圖4及5分別展示12V及19V輸入效率的結果。
圖2：在低壓降壓轉換器使用EPC9101及經過修改的DC1640A-B演示板的比較
圖3：所選的低壓降壓轉換器規格的比較
圖4：在12 V轉1.2V、1MHz降壓轉換器，eGaN FET與MOSFET器件效率的比較
圖5：在19V轉1.2V、1MHz降壓轉換器，eGaN FET與MOSFET器件效率的比較
在輸入電壓范圍內，每個周期中的二極管導通時間增加20ns將使基于eGaN FET的轉換器效率降低約2%至3%?？墒窃谳p載時(低于3A)，效率實際上會稍為提高，因為這種額外死區時間可容許交換節點電壓的自我轉換。為了獲得最佳的滿負載工作性能而使用短死區時間意味著在輕載時會發生強制轉換。
使用額外增加的肖特基二極管極大地提高了效率，其效果差不多相等于優化開關時間。在所有的測試工作條件下，基于eGaN FET轉換器的效率比使用等效MOSFET電路的轉換器高出3至7個百分點。實際上，相比等效MOSFET于12V輸入時的效率，經過優化的eGaN FET工作在19V輸入時具備更高的效率。
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中壓降壓轉換器應用
對于超出30V MOSFET性能的更高電壓來說，應用空間會有所變化，并且沒有特別的大批量應用。幾乎所有電信轉換器都使用-48V電源，因此要求針對步降至+12V或+24V總線進行隔離；而計算與網絡設備一般都使用+48V的總線，因此只是當沒有強制性隔離要求才有可能使用降壓轉換器。無論是否實際應用，在中壓范圍內，MOSFET與eGaN FET可以通過考慮如圖7所示的通用降壓應用作出比較。
我們使用兩個中壓降壓轉換器演示板來比較eGaN FET及MOSFET器件的性能。兩塊標準的演示電路都已修改為具有相同輸入及輸出電容、電感及工作頻率。圖6展示兩塊測試電路板的照片。于低壓轉換器的比較一樣，MOSFET器件也改為與eGaN FET具有相同導通電阻。為確保取得準確的測量結果，我們通過使用所增加的通孔來測量輸入及輸出電壓，以盡量接近實際轉換器的輸入及輸出電壓，測量結果見圖7
圖6：用于中壓降壓轉換器并經過修改內含LM5113及LM5116演示板的比較
圖7：所選的中壓降壓轉換器規格的比較
圖8及9分別展示效率結果及相對的功率損耗結果。測量點在輸出電流達10安培時或在轉換器的總功率損耗達10W時比較，要看那一點首先出現。結果清楚地表明，相比MOSFET器件，eGaN FET在效率方面極大地提高了4至8個百分點。更重要的是，當基于MOSFET器件的轉換器的功率損耗達10W時，基于eGaN FET的轉換器的損耗小于前者的一半,致使轉換器的功率損耗減少超過50%。這些損耗包括非器件損耗如電感磁芯及銅損耗，因此減少了的器件損耗實際上更大。同樣地，由于基于eGaN FET的轉換器的死區時間設置為給重負載而經過優化，它的零電壓開關的損耗構成兩個轉換器的無負載損耗。
圖8：在36V-60V轉12V、500kHz降壓轉換器，氮化鎵與MOSFET器件的效率比較
圖9：在36V-60V轉12V、500kHz降壓轉換器，氮化鎵與MOSFET器件的功率損耗比較
本文描述了我們構建可比的、在低壓及中壓應用使用商用的eGaN FET及MOSFET展示板電路的降壓轉換器。兩塊板都經過修改為具有相同導通電阻，從而取得可比的傳導損耗。使用氮化鎵器件可大大提高低壓及中壓的轉換 器的效率達3至8個百分點，這個效率方面的改進在中壓轉換器的比較結果更為明顯。結果表明，相比直向MOSFET器件，在電壓低至最小30V，eGaN FET具備更卓越的性能。當這個氮化鎵新科技繼續改進，它的性能將在所有的電壓范圍遙遙領先并可以在更低壓的領域替代MOSFET器件。
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