我们所选择的硅晶体管是目前市场上可用的最优秀产品,并尽可能匹配相比的氮化镓器件的导通电阻和额定电流。表1给出了用于降压转换器的场效应晶体管的主要参数比较。
表1 在48V转1.2V降压转换器的MOSFET氮化镓场效应晶体管的特的比较。
在比较这些晶体管时我们需要注意几个要点。首先,硅器件的栅极电荷是氮化镓场效应晶体管的几倍。硅控制场效应晶体管需要18nC实现开关,而氮化镓场效应晶体管只需要2.7nC。这个6:1的比值意味着氮化镓场效应晶体管具有低很多的开关损耗。同步整流器场效应晶体管的总栅极电荷也有很大的差异,但功耗取决于器件的导通电阻(RDS(ON))。
此外，由于氮化傢场效应晶体管具有低很多的栅极电容,它的标准品质因数要比MOSFET高三至六倍。
最后一种显著的区别是两种器件所需的印刷电路板面积。硅器件需要61.5mm2的电路板面积,而氮化镓场效应晶体管只需8.5mm2的面积,即硅器件所需的面积是氮化镓场效应晶体管的七倍。在内含很多电压轨的系统中,氮化镓场效应晶体管所能节省的电路板面积是非常可观的。
图1 在48V转1.2V降压转换器的60V硅MOSFET及100V 氮化镓场效应晶体管的效率与输出电流关系的比较。
图1对工作在500kHz的氮化镓场效应晶体管和MOSFET进行了比较,并显示工作在300kHz、基于MOSFET的降压转换器的效率。基于氮化镓场效应晶体管的转换器在所有频率点都展示了更高的性能。从图2可以看出,在输出电流为8A的条件下，硅器件的功耗要比氮化镓器件高出约1W。
图2 100V氮化镓场效应晶体管与先进的60V硅MOSFET相比，在48V转1.2V降压转换时,功耗与输出电流的关系。
图3显示了对工作在500kHz开关频率、导通时于间约为100ns、基于氮化镓场效应晶体管的转换器,我们测量到的开关节点电压和输出电流(反向电流)。即使是在非常短的导通时间,波形仍然具有差不多是垂直的边沿和平坦的顶部。控制器可以很容易将导通时间缩短五倍,以便在负载突然减小时,仍然可以控制和保持良好的瞬态响应。
图3 工作在500kHz开关频率、优化死区时间、基于氮化镓场效应晶体管的48V转1.2V转换器的开关节点电压。
如果设计师的目标是取得可能最快的开关,图4显示了在硬开关时的转换时间,它的上升时间约为2.5ns。对于硅功率MOSFET来说,这样高的开关时间前所未闻。
图4 氮化镓器件在48V转1.2V转换器的硬开关时的转换时间。
如果目标是尽量减小损耗,图5显示低于5ns的软开关转换是有可能实现的。但要留意软开关转换时间取决于负载。
图5 氮化镓器件在48V转1.2V转换器的软开关的转换时间。
虽然这些高开关速度允许器件可以在非常高的频率、高效率和小尺寸的条件下工作，但它们要求精细的物理设计。由于电压和电流在几纳秒开关时间内形成,目前可以忽略的寄生电容和电感在基于氮化镓场效应晶体管的系统中将无法再继续被忽略。