近年來，諸如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 場效應(yīng)晶體管 (FET) 之類的寬帶隙功率器件已開始商用。與高壓 (≥600V) 硅 FET 相比，GaN 和 SiC FET 通常具有更低的導(dǎo)通電阻 (R ds(on) )、更低的輸出電容 (C oss ) 和更少/沒有反向恢復(fù)電荷 (Q rr )。由于其較低的開關(guān)損耗，我們可以大大提高具有寬帶隙功率器件的硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器的效率。

將 GaN FET 應(yīng)用于諧振轉(zhuǎn)換器可通過減少磁損耗來提高效率。氮化鎵晶體管和碳化硅MOSFET日益引起工業(yè)界，特別是電氣工程師的重視。之所以電氣工程師如此重視這兩種功率半導(dǎo)體，是因為其材料與傳統(tǒng)的硅材料相比有諸多的優(yōu)點，如圖1所示。氮化鎵和碳化硅材料更大的禁帶寬度，更高的臨界場強使得基于這兩種材料制作的功率半導(dǎo)體具有高耐壓，低導(dǎo)通電阻，寄生參數(shù)小等優(yōu)異特性。當(dāng)應(yīng)用于開關(guān)電源領(lǐng)域中，具有損耗小，工作頻率高，可靠性高等優(yōu)點，可以大大提升開關(guān)電源的效率，功率密度和可靠性等性能
讓我們以圖 1 所示的電感-電感-電容串聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器 (LLC-SRC) 為例。LLC-SRC 使用存儲在諧振電感 (L r ) 中的能量對輸入開關(guān)網(wǎng)絡(luò)中的 MOSFET 輸出電容器進(jìn)行放電。如果在 MOSFET 柵極信號變高之前輸出電容電壓放電至零，則可以實現(xiàn)零導(dǎo)通損耗。

圖 1：LLC SRC

圖 2 顯示了 LLC-SRC 的關(guān)鍵波形。在 MOSFET 的開關(guān)瞬態(tài)期間，i Lr等于流過 L m的最大電流，如公式 1 所示：

電流 I Lm（假設(shè)在死區(qū)時間保持不變）對一個 MOSFET的 C oss進(jìn)行放電并為另一個 MOSFET的 C oss充電。假設(shè)半橋的兩個 MOSFET的 C oss相同，并且我們可以忽略變壓器的繞組間電容，公式 2 表示可以實現(xiàn)零開通損耗的最大電感：

圖 2：LLC-SRC 開關(guān)波形

現(xiàn)在讓我們假設(shè)我們正在使用 LLC-SRC在相同的 400V IN到 12V OUT轉(zhuǎn)換規(guī)范上選擇 GaN FET 和硅 FET 。TI 的LMG3410  GaN 器件具有 70mΩ 的導(dǎo)通電阻和 95pF 的輸出電容（與能量相關(guān)）。我發(fā)現(xiàn)一個 70mΩ 硅 FET 具有 140pF 的輸出電容。如果我們選擇的匝數(shù)比為 n = 16，并且 LLC-SRC 的目標(biāo)最大開關(guān)頻率為 750kHz，則 L m,maxTI 的 LMG3410 為 134μH，帶有 140pF 輸出電容器的硅 FET 為 91μH。作為輸入開關(guān)，如果使用相同的內(nèi)核，帶有硅 FET 的 LLC-SRC 變壓器的氣隙將比帶有 LMG3410 的變壓器寬。由于氣隙較寬，變壓器導(dǎo)線上的渦流損耗會更大。

圖 3 顯示了相同的 LLC-SRC 在相同的測試條件下具有不同變壓器氣隙的熱性能。如我們所見，具有較寬氣隙的變壓器上的線損比具有較窄氣隙的變壓器高得多。因此，使用具有較低 C oss 的GaN 器件有助于降低諧振轉(zhuǎn)換器中的磁損耗。

圖 3：LLC-SRC 變壓器在 400V IN、12V/42A 輸出時的熱性能，L m = 100μH（更窄的氣隙）（a）；和 L m = 70μH（更寬的氣隙）(b)

雖然在這篇文章中，我討論了在諧振轉(zhuǎn)換器上使用 GaN 器件的好處——輸出電容較低，從而減少變壓器損耗——但 TI GaN 器件（如 LMG3410）不僅提供低 R ds(on)和 C oss，而且還包含多種保護(hù)，例如過流和過熱保護(hù)。通過所有這些保護(hù)，轉(zhuǎn)換器的可靠性大大提高。

目前業(yè)界的氮化鎵晶體管產(chǎn)品是平面結(jié)構(gòu)，即源極，門極和漏極在同一平面內(nèi)，這與與超級結(jié)技術(shù)(Super Junction)為代表的硅MOSFET的垂直結(jié)構(gòu)不同。門極下面的P-GaN結(jié)構(gòu)形成了前面所述的增強型氮化鎵晶體管。漏極旁邊的另一個p-GaN結(jié)構(gòu)是為了解決氮化鎵晶體管中常出現(xiàn)的電流坍陷(Current collapse)問題。英飛凌科技有限公司的CoolGaN產(chǎn)品的基材（Substrate）采用硅材料，這樣可以大大降低氮化鎵晶體管的材料成本。由于硅材料和氮化鎵材料的熱膨脹系數(shù)差異很大，因此在基材和GaN之間增加了許多過渡層(Transition layers)，從而保證氮化鎵晶體管在高低溫循環(huán)，高低溫沖擊等惡劣工況下不會出現(xiàn)晶圓分層等失效問題。氮化鎵晶體管沒有體二極管但仍舊可以反向通流，因此非常適合用于需要功率開關(guān)反向通流且會被硬關(guān)斷(hard-commutation)的電路，如電流連續(xù)模式(CCM)的圖騰柱無橋PFC中，可以獲得極高的可靠性和效率，