氮化镓场效应晶体管在硬开关电路中的性能

  为了提高降压转换器的频率,尤其是在高输入电压情况下,功率器件必须具有很低的动态损耗。影响动态损耗的其中一个主要因素是硬开关“事件”,即器件在电压下降前换流至导通。图1展示这个事件在高侧器件关断期间刚好相反。每个开关周期的能量可以用ESW=VINx IOUT x t计算得出一个近似值,其中t值取决于多个因素,包括器件栅极电荷(QG)、器件串联栅极电阻(RG)、驱动器阻抗、驱动电压、电源与驱动环路的共源电感,以及器件的传输特性。由于氮化镓场效应晶体管所需的晶片面积小很多，并具橫向结构,因而它们具有超低的栅极和米勒电荷(QGD)，此外,加上设计具有低栅极电阻(RG),致使这些器件的开关时间非常短促,及通过硬开关事件所消耗的能量非常小。
 
  影响动态损耗还有其它四个因素,包括二极管恢复电荷(QRR),它的能量损耗(ERR)等于恢复电荷乘以输入电压。其次是输出电荷(QOSS),其能量损耗(EOSS)取决于输出电荷的一半乘以输入电压。第三个因素是与栅极电荷(QG)有关的能量损耗(EG),它等于栅极电荷乘以VGS。第四个因素是反向导通电压(VSD),从这个公式得出:ESD= VSD x lOUT xtR,其中tR是总反向导通时间。
经典的硬开关波形 
图1 经典的硬开关波形
 
  把这四个因素所得的值累加起来、加上每个开关期间的能量损耗及乘以频率,就可以计算出总能量损耗或功耗,如以下的公式所示：
PDYN=fx(ESW+ ERR+ EOSS+EG+ ESD)
  与标准的功率MOSFET器件相比,氮化镓场效应晶体管的结面没有少数载流子,因此没有QRR。其输出电容(COSS)和电荷(QOSS)也比较小,因为它的物理尺寸比具有相同RDS(ON)电阻的 MOSFET更小。由于VGS和QG都低,因此EG对氮化镓场效应晶体管来说可以忽略不计。最后,它具有反向电流传导机制,与MOSFET的体二极管正向电压相比,氮化镓场效应晶体管具有较高的VSD,而在这个条件下,有可能增加能量的损耗(ESD),并将受到总反向传导时间的影响。这个情况可以受控于当整流开关用作二极管时。

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