由于寬能隙功率元件的優(yōu)異切換性能，近幾年已經(jīng)漸漸被商用化。常見的問題，如：究竟寬能隙元件對于系統(tǒng)的功率密度與效率的提升幫助有多少？原先所使用的以硅為基礎(chǔ)的元件在更復(fù)雜的拓?fù)渑c控制機制，是否需要付出更大的成本？本文會以適配器（Adaptor）的應(yīng)用來做說明。

氮化鎵（GaN）是橫向結(jié)構(gòu)的功率元件，其具有小于硅（Si）的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(fù)電流（Irr）的問題。因此很適合被設(shè)計于高功率密度的電源適配器，并在所有負(fù)載范圍操作，都能達(dá)到零電壓切換，可有效降低開關(guān)的切換損失。

圖2超接面Si與GaN元件的關(guān)鍵屬性比較（Rds（on）=100mΩ）

元件特性：

當(dāng)?shù)壴c硅功率元件比較時，超接面Si元件（SuperJunction）顯然是目前業(yè)界最主要的選擇。檢視當(dāng)前最新的技術(shù)，超接面元件已經(jīng)問世將近20年，經(jīng)多個世代的演進(jìn)，可以同時達(dá)到低導(dǎo)通電阻，以及低雜散電容，所以元件可以做快速地切換。

圖3超接面元件與增強型模式氮化晶體管的輸出電容（Coss）特性

圖4儲存在輸出電容的能量（Eoss）

即使氮化鎵元件的輸出電容在低壓時具有較小的值，但是實際儲存在輸出電容的能量值卻相當(dāng)接近于超接面元件。這個能量在硬切換的每一個周期，會變成熱而散掉，所以氮化鎵的真正價值是在于柔性切換應(yīng)用，因其具有逆向回復(fù)損失（Reverse recovery）為零的特性，以及Qoss比較小之優(yōu)勢。

圖5 Qoss和電壓的比較，左圖為增強型模式氮化元件，右圖為超接面元件

驅(qū)動線路：

一般閘極驅(qū)動線路如圖6（a）所示，閘極導(dǎo)通與關(guān)斷瞬間之正與負(fù)電流以及穩(wěn)態(tài)電流如下。

另外，Ion電流是由Ron電阻所決定，而穩(wěn)態(tài)電流ISS則是取決于RSS，如圖6（b）所示。其中，VN看似消失了，但其實是不需要，因為Con會將閘極驅(qū)動位準(zhǔn)做位移而形成負(fù)電位。

圖6閘極驅(qū)動線路（a）、簡化之驅(qū)動線路（b）、閘極電荷特性（c）、閘極電流（d）

實際應(yīng)用：

這里使用一個以非對稱PWM反馳式（Flyback）拓?fù)涞?5W適配器為測試平臺。如圖7所示，非對稱PWM Flyback拓?fù)涞脑恚抢眉ご烹娏鱽韼椭淮蝹?cè)開關(guān)達(dá)到零電壓切換，二次側(cè)同整達(dá)到零電流切換，以求最高的轉(zhuǎn)換效率。電路構(gòu)架如圖8所示。

圖7非對稱PWM Flyback之65W USB-PD適配器

圖8具有同步整流的非對稱PWM Flyback

圖9非對稱PWM Flyback典型波型

藍(lán)色（LC諧振電流）；紅色（激磁電流）；黃色（次級測電流）

這個適配器支持USB-PD功能，提供多組不同輸出電壓，從5V/3A到20V/3.25A，操作頻率范圍為100kHz~220kHz，取決于輸入與輸出電壓，并且搭配使用500V/140mΩ的超接面元件，最高效率可達(dá)94.8%，當(dāng)Vin為90V時，滿載效率則為93%，整體來說，對于系統(tǒng)效率在滿載和所有的輸入電壓范圍可以提高約0.4%，整體效率如圖8所示。

圖10紅色曲線為超接面元件500V/140mΩ的滿載效率，藍(lán)色曲線為氮化元件600V/190mΩ的滿載效率，Vo=20V

結(jié)論：

本文介紹了氮化鎵元件之特性，并且列舉氮化鎵元件于適配器上的應(yīng)用示例。根據(jù)實際的測試結(jié)果，當(dāng)應(yīng)用于柔性切換拓?fù)鋾r，氮化鎵元件是會比超接面元件更具有出色的效率表現(xiàn)。這是由于氮化鎵元件的Qoss大幅降低，能夠以較低的激磁電流來達(dá)到零電壓切換，因此變壓器和功率元件的導(dǎo)通損失（Conduction-loss）可以被降低。另外，較小的閘極電荷Qg也同時降低了驅(qū)動損失，而較小的Coss，則可降低關(guān)斷時的切換損失（Switching-loss）。逆向回復(fù)損失（Reverse recovery）為零的特性也能提升切換穩(wěn)定度。

藉由專屬的驅(qū)動IC，可快速導(dǎo)通及關(guān)斷GaN元件。且在關(guān)斷的同時可保持閘極電位為零，避免開關(guān)誤導(dǎo)通也可降低dead-time造成的損失。并且使信號隔離達(dá)到安全的絕緣標(biāo)準(zhǔn)。因此要想提高功率密度，使用氮化鎵元件是必須的，只要轉(zhuǎn)換器件的效率提升，所產(chǎn)生的熱也會相對減少，散熱片就可以縮小，自然就能有效縮減體積。