新型宽带隙材料在电力电子产品的设计优势——第一部分

随着在晶体管制造中引入诸如氮化镓(GaN) 等新型宽带隙材料，品质因数的显著改善转化为电源的潜在改良。

在这篇包括两个部分的博客系列中，我将讨论这些新型宽带隙材料是怎样能让新设计从中受益的。

采用带隙高于硅半导体的新型材料可缩减芯片尺寸，同时保持相同的隔离电压。

较小的芯片产生较低的寄生电容，并降低了晶体管栅极电荷 (Qg) 及输出电容 (Coss)。相比于标准的硅MOSFET，在给定的频率下，这直接转化为较快的转换速度以及较少的转换损耗、较少的 Coss 耗散和较少的驱动 Qg 损失。

然而，在高于几百 kHz 的电源应用中设计人员并不驱动硅 FET（因为开关损耗变得过大），较低的寄生电容使得基于 GaN 的 FET 能够在高出 10 倍之多的频率下工作，同时保持相似的开关和驱动损耗。

这种在较高频率条件下运作的能力降低了纹波电压和电流，这等同于传导和磁芯损耗的减低，并有可能缩小电感和电容性组件的尺寸。

高频操作的优点

当采用较高的频率时，对于在充电周期之间存储能量的需要线性地下降。因此，所有用于能量存储或滤波的无源组件皆可较小。

在那些尺寸、重量和外形因素至关重要的应用中，尺寸缩减的好处尤为明显。比如，在任何非静止固定的应用中（如机载或移动系统），尺寸和重量是主要关注的问题，因为随着重量的增加所需的燃料将会增多。

转向更高频率的第二个优点是可减少电磁干扰 (EMI)滤波器：无源滤波器在较高的频率下其效率变得更高，而且当频率高于 5 MHz 时，产生的开关噪声（由相关标准 [EN55022] 强制要求）减轻了额外的 5 dB。然而，较高的频率更有可能找到辐射路径；法拉第屏蔽（仅可在接地的系统上使用）和谨慎的布局变得越来越重要。

减小组件尺寸

当频率提高时，电压和电流纹波减少，从而减小了所需的电容。

大的铝电容器对位于几百 kHz 的低端以下的频率是非常有效的，而一旦开关频率提升至 MHz 范围它就变得无效了。您可以用紧凑的陶瓷电容器替代铝电容器，由于结构和至电路板的连接方法之故，这呈现较低的阻抗。

使用陶瓷电容器需要注意其自谐振（在高达几 MHz 的频率下大多数标准陶瓷电容器都是令人满意的）和DC电压偏置。为了克服这些影响，需选择和谨慎地设计低阻抗物理尺寸和形状，并选择高级电介质材料（NP0/C0G 或 X7R）。

同样，当提高频率时可减小电感器和变压器的尺寸，但是能够在多 MHz 频率和磁通量发生强烈变化 (dΦ/dt)（由于快速变化的电流所致）的情况下保持高性能的磁性材料的选择是有限的。

在高于 5 MHz 的频率条件下，可以摈弃实芯电感器而采用空芯电感器。空芯电感器消除了磁芯损耗，但是对于给定的电感值，空气的较低介电常数强制要求较大的线圈匝数。这导致了较高的铜损和一种体积有可能大于实芯解决方案的构造，而且强磁场会向周围空间产生更多的辐射。研究人员正在用高频磁性材料做试验，其或许是一种适合多 MHz 应用的优良解决方案。

那么，缩小电源的结果是什么呢？我将在本博客系列的下一部分中探讨这个问题。

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