發布日期：2022-04-28 點擊率：26
隨著在晶體管制造中引入諸如氮化鎵 (GaN) 等新型寬帶隙材料，品質因數的顯著改善轉化為電源的潛在改良。
在這篇包括兩個部分的博客系列中，我將討論這些新型寬帶隙材料是怎樣能讓新設計從中受益的。
采用帶隙高于硅半導體的新型材料可縮減芯片尺寸，同時保持相同的隔離電壓。
較小的芯片產生較低的寄生電容，并降低了晶體管柵極電荷 (Qg) 及輸出電容 (Coss)。相比于標準的硅 MOSFET，在給定的頻率下，這直接轉化為較快的轉換速度以及較少的轉換損耗、較少的 Coss 耗散和較少的驅動 Qg 損失。
然而，在高于幾百 kHz 的電源應用中設計人員并不驅動硅 FET（因為開關損耗變得過大），較低的寄生電容使得基于 GaN 的 FET 能夠在高出 10 倍之多的頻率下工作，同時保持相似的開關和驅動損耗。
這種在較高頻率條件下運作的能力降低了紋波電壓和電流，這等同于傳導和磁芯損耗的減低，并有可能縮小電感和電容性組件的尺寸。
高頻操作的優點
當采用較高的頻率時，對于在充電周期之間存儲能量的需要線性地下降。因此，所有用于能量存儲或濾波的無源組件皆可較小。
在那些尺寸、重量和外形因素至關重要的應用中，尺寸縮減的好處尤為明顯。比如，在任何非靜止固定的應用中（如機載或移動系統），尺寸和重量是主要關注的問題，因為隨著重量的增加所需的燃料將會增多。
轉向更高頻率的第二個優點是可減少電磁干擾 (EMI) 濾波器：無源濾波器在較高的頻率下其效率變得更高，而且當頻率高于 5 MHz 時，產生的開關噪聲（由相關標準 [EN55022] 強制要求）減輕了額外的 5 dB。然而，較高的頻率更有可能找到輻射路徑；法拉第屏蔽（僅可在接地的系統上使用）和謹慎的布局變得越來越重要。
減小組件尺寸
當頻率提高時，電壓和電流紋波減少，從而減小了所需的電容。
大的鋁電容器對位于幾百 kHz 的低端以下的頻率是非常有效的，而一旦開關頻率提升至 MHz 范圍它就變得無效了。您可以用緊湊的陶瓷電容器替代鋁電容器，由于結構和至電路板的連接方法之故，這呈現較低的阻抗。
使用陶瓷電容器需要注意其自諧振（在高達幾 MHz 的頻率下大多數標準陶瓷電容器都是令人滿意的）和 DC 電壓偏置。為了克服這些影響，需選擇和謹慎地設計低阻抗物理尺寸和形狀，并選擇高級電介質材料（NP0/C0G 或 X7R）。
同樣，當提高頻率時可減小電感器和變壓器的尺寸，但是能夠在多 MHz 頻率和磁通量發生強烈變化 (dΦ/dt)（由于快速變化的電流所致）的情況下保持高性能的磁性材料的選擇是有限的。
在高于 5 MHz 的頻率條件下，可以擯棄實芯電感器而采用空芯電感器。空芯電感器消除了磁芯損耗，但是對于給定的電感值，空氣的較低介電常數強制要求較大的線圈匝數。這導致了較高的銅損和一種體積有可能大于實芯解決方案的構造，而且強磁場會向周圍空間產生更多的輻射。研究人員正在用高頻磁性材料做試驗，其或許是一種適合多 MHz 應用的優良解決方案。
那么，縮小電源的結果是什么呢？我將在本博客系列的下一部分中探討這個問題。
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原文鏈接：
https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2016/05/24/advantages-of-wide-band-gap-materials-in-power-electronics-part-1
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