2024-03-25

能量轉換新境界:GaN-FET在AC/DC Flyback Converter的技術應用

前言

隨著電力電子技術與半導體材料與工程的不斷演進，氮化鎵金氧半場效電晶體（Gallium Nitride-Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, 簡稱GaN-FET）作為新興的高頻功率開關元件，正引著領能量轉換領域進入新的境界。

本文將探討氮化鎵金氧半場效電晶體GaN-FET所帶來的優點與其在交流/直流（AC/DC）返馳式轉換器 ( Flyback Converter ) 應用中所帶來的變革及技術突破。

首先將簡要介紹AC/DC Flyback轉換器的基本工作原理，然後探討GaN-FET在這一領域的優勢。

AC/DC Flyback轉換器的基本工作原理

市面上常見3C 產品的AC/DC充電器，其電源架構大多為Flyback轉換器，因有較高的效率、較小的體積和重量、較簡單的電路設計和較低的成本，一直為主流製造廠商的選擇。其電路當中會使用到一個功率開關元件，傳統以矽(Si) 製程為主的金屬氧化物半導體場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，縮寫：MOSFET）在高頻操作下存在著較大的開關損耗和導通損耗，限制了轉換器的效率和功率密度。

AC/DC Flyback轉換器是一種常見的電力轉換裝置，常被應用於電源供應器和充電器等場合。其基本工作原理如下：

輸入端： 交流電源通過變壓器進入轉換器，其中包括一個開關元件（通常是MOSFET）。
工作週期： 通過控制開關元件的開關週期，實現能量的儲存和釋放。當開關元件斷開時，變壓器儲存能量；當開關元件通過時，能量釋放到輸出端。
輸出端： 轉換器的輸出端通常配有整流和濾波元件，以獲得穩定的直流輸出電壓。

(圖一) 簡化的返馳式轉換器電路

輸入交流電壓Vin(t) 經橋式整流進入濾波電容器，去除輸入電壓中的漣波 Vg(t)，然後通過控制工作頻率切換功率開關Q1 (MOSFET)。
當Q1導通時，能量儲存在變壓器的磁場中，此時二極管D1關閉。
當Q1關閉時，變壓器的磁場崩潰，能量轉移到輸出電路，同時二極管D1導通。
這樣的週期性工作使得交流電壓Vin(t) 轉換為所需的直流電壓Vo。

GaN-FET在AC/DC Flyback轉換器中的優勢

氮化鎵場效應電晶體（GaN-FET）相較於傳統的矽基場效應電晶體（MOSFET）具有一些顯著的優點，這使得它在一些特定的應用中更有吸引力。以下是GaN-FET的一些主要優點：

高電子遷移率： 氮化鎵材料具有較高的電子遷移率，這意味著電子在材料中移動的速度更快，有助於提高電子元件的性能。
高電子飽和速度： GaN-FET具有高電子飽和速度，使得它能夠在高頻率應用中表現優異。這使其在高速開關和射頻功率放大器等應用中特別有用。
高電壓操作： GaN-FET可以在相對較高的電壓下操作，這使得它在高電壓應用中更為適用。
低通道電阻： GaN材料的物理特性使得GaN-FET具有相對低的通道電阻，這有助於減小開關損失，提高效能。
高溫穩定性： GaN材料在高溫下仍然能夠保持穩定的性能，這使得GaN-FET在高溫環境下的應用更有優勢。
小型尺寸： GaN元件的小型尺寸有助於製造高集成度的電路，並在一些應用中節省空間。

總體而言，GaN-FET在高頻率、高功率密度、高效能以及高溫環境等方面的優勢，使其成為一些特定應用中的理想選擇，例如雷射驅動、無線通信、軍事雷達和電力轉換等領域。

氮化鎵和矽在相同的額定電壓下比，氮化鎵元件的每單位面積的導通電阻值要低得多。這使得氮化鎵晶片和其封裝尺寸顯著減小。

GaN-FET在AC/DC Flyback中的應用

GaN-FET 其製程工藝為橫向結構的功率元件，其物理特性具有小於矽Si-MOSFET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。

(表一)為耐壓600~650V相等級時MOSFET與GaN-FET簡易參數差異 :

(表一)

Qg參數影響驅動損耗，主要影響輕載效率。GaN-FET相較於Si-MOSFET有大幅度的降低。
Qoss 參數在軟切換的電源架構中，Qoss小，則Dead time在設計上可以比較短，有效傳遞能量時間可以增加，有利於提升效率。GaN-FET相較於MOSFET有大幅度的降低。
Eoss參數在硬切換的電源架構中 (例Flyback架構)，影響切換損失。GaN-FET相較於MOSFET是呈現比較小的數值。
Qrr參數高在半橋架構下容易造成硬換相，較小的Qrr可以減少Short through的現象發生。GaN-FET相較於MOSFET有相當程度的降低。