GaN-FET實現高效反馳式轉換器　兼顧穩定/高效/低功耗

隨著電力電子技術、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, GaN-FET)作為新興的高頻功率開關元件，帶動能量轉換技術進入新的境界。本文將探討GaN-FET所帶來的優點，以及其在交流/直流(AC/DC)反馳式轉換器(Flyback Converter)應用中所帶來的變革及技術突破。包含簡要介紹AC/DC反馳式轉換器的基本工作原理，然後探討GaN-FET在能源領域的優勢。

AC/DC反馳式轉換器工作原理

市面上常見3C產品的AC/DC充電器，電源架構大多為反馳式轉換器，因這類轉換器有較高的效率、較小的體積和重量、較簡單的電路設計和較低的成本，一直是主流製造廠商的首選(圖1)。轉換器的電路中使用功率開關元件，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, MOSFET)在高頻操作下，開關損耗和導通損耗較大，限制了轉換器的效率和功率密度。GaN-FET則有助於AC/DC反馳式轉換器提高頻率、功率密度與效能，以及承受高溫環境的能力。AC/DC反馳式轉換器是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：透過控制開關元件的開關週期，實現能量的儲存和釋放。當開關元件導通時，變壓器儲存能量;當開關元件斷開時，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。

1.輸入交流電壓V_in(t) 經橋式整流進入濾波電容器，去除輸入電壓中的漣波V_g(t)，然後透過控制工作頻率切換功率開關Q1(MOSFET)。

2.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。

3.當Q1關閉時，變壓器的繞組極性反轉，能量轉移到輸出電路，同時二極管D1導通。

4.這樣的週期性工作使得交流電壓V_in(t) 轉換為所需的直流電壓V_o。

GaN-FET優勢

GaN-FET相較於傳統的矽基MOSFET具有一些明顯的優點，這使得它在一些特定的應用中，對產品開發人員更有吸引力。以下是GaN-FET的主要優點：

‧高電子遷移率：氮化鎵材料具有較高的電子遷移率，這意謂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具有較高的電子飽和速度，使得它能夠在高頻率應用中表現優異。這讓GaN-FET在高速開關和射頻功率放大器等應用中效率特別突出。

‧高電壓操作：GaN-FET可以在相對較高的電壓下操作，這使得它更適合高電壓應用。

‧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，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，因此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度整合的電路，並在為一些應用節省空間。

總體而言，GaN-FET在高頻率、高功率密度、高效能以及可耐受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、無線通訊、軍事雷達和電力轉換等領域。GaN和矽在相同的額定電壓下，氮化鎵元件的每單位面積的導通電阻值要低得多，也因此GaN晶片和其封裝尺寸顯著減小。

GaN-FET應用於AC/DC反馳式轉換器

GaN-FET的製程技術為橫向結構的功率元件，其物理特性具有小於Si-MOSFET十分之一以下的閘極電荷(Q_g)與輸出電荷(Q_oss)，且沒有逆向回復電流(I_rr)的問題。表1為耐壓600~650V相等級時MOSFET與GaN-FET簡易參數差異。

Q_g參數影響驅動損耗，主要影響輕載效率。GaN-FET相較於Si-MOSFET，驅動損耗明顯較低。Q_oss參數在軟切換的電源架構中，Q_oss數值較小，則不導通時間(Dead Time)可以設計得比較短，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，不導通大幅度降低。同時，E_oss參數在硬切換的電源架構中，例反馳式架構，影響切換損失。GaN-FET相較於MOSFET，切換損失較低。而Q_rr參數高在半橋架構下容易造成硬換相，較小的Q_rr可以減少短路穿透(Short through)的現象發生。GaN-FET的Q_rr較低，因此可以有效地避免短路的情況。

高頻操作

GaN-FET具有極低的輸入電容(C_iss)與輸出電容(C_oss)，因此能夠在更高的開關頻率下運行，減少變壓器體積和重量，進一步提高轉換器的效率和功率密度。

低開關損耗

GaN-FET支援非常快的開關速度應用，這表示在開關過程中損耗的能量更少，大幅提高了轉換器的效率，同時降低了散熱需求，使得系統更加可靠。

高準確性

GaN-FET的低輸出電容和快速開關速度，有助於實現更高的轉換器控制準確性和穩定性。這對於對輸出電壓精度要求較高的應用至關重要。

反馳式轉換器迎來突破

隨著GaN-FET的應用，AC/DC反馳式轉換器的技術迎來幾個重要的突破和變革。首先，高頻率操作和低通道電阻使得GaN-FET的轉換器可以更小巧輕便，尺寸和重量減少，適用於有空間限制的應用場景。

另外，由於GaN-FET的高效能特性，轉換器的整體效率提高，同時降低能量損失。在高頻率操作下，GaN-FET的高開關頻率使得轉換器能夠應對高頻率操作的需求，適用於一些對轉換器動態響應要求較高的應用場景。

產品如Renesas的AC/DC 反馳式控制器iW9872，即採用GaN-FET搭配AC/DC反馳式轉換器的應用 (圖2、3)。此產品是用於次級側調節(SSR) AC/DC初級側數字反馳式控制器。該元件具備恆定頻率、準諧振(QR)開關模式和自適應多模式控制(MMC)。可見GaN-FET在AC/DC反馳式轉換器中的應用，為能量轉換領域帶來了顯著的技術進步，同時提升了轉換器的性能和效率，促使相關應用領域邁向更為高效、小型化、輕量化的方向。

(本文作者為茂綸技術工程副理)

參考資料

[1] https://www.renesas.com/us/en/products/power-power-management/acdc-isolated-dcdc-converters/flyback-forward-controllers

[2] https://www.renesas.com/us/en/products/space-harsh-environment/rad-hard-hermetic/rad-hard-power/rad-hard-gan-fets#videos_training

[3] https://www.renesas.com/us/en/document/bro/acdc-power-management-ics?language=en&r=481216

[4] https://www.infineon.com/cms/en/product/technology/gallium-nitride-gan/?redirId=130610