隨著在晶體管制造中引入新的寬帶隙材料，例如氮化鎵 (GaN)，顯著的品質(zhì)因數(shù)改進轉(zhuǎn)化為電源的潛在改進。使用比硅基半導(dǎo)體具有更高帶隙的新型材料可以減小芯片尺寸，同時保持相同的阻斷電壓。

較小的管芯導(dǎo)致寄生電容和晶體管柵極電荷 (Qg) 和輸出電容 (Coss) 的降低。與經(jīng)典的硅 MOSFET 相比，這直接轉(zhuǎn)化為更快的轉(zhuǎn)換速度，具有更少的轉(zhuǎn)換損耗、更少的 Coss 耗散和在給定頻率下的驅(qū)動 Qg 損耗。

鑒于開關(guān)損耗變得非常大，設(shè)計人員不會在數(shù)百千赫茲以上的功率應(yīng)用中驅(qū)動硅 FET，而較低的寄生效應(yīng)使基于 GaN 的 FET 能夠以高達 10 倍的頻率工作，同時保持相當(dāng)?shù)拈_關(guān)和驅(qū)動損耗。

這種在更高頻率下工作的能力降低了紋波電壓和電流，這相當(dāng)于降低了傳導(dǎo)和磁芯損耗，并有可能減小電感和電容元件的尺寸。

更小的產(chǎn)品：不斷增加的功率密度

當(dāng)電源的功率密度由于其組件的縮小而增加時，產(chǎn)生的熱量會發(fā)生什么變化？

隨著功率損耗密度的增加，熱管理可能變得具有挑戰(zhàn)性。對于給定的縱橫比，可用于熱交換的面積隨著體積的減小而減小，從而導(dǎo)致更高的表面溫度。

為了縮小電力系統(tǒng)的規(guī)模，必須提高效率。從損耗的角度來看，效率為 90% 的系統(tǒng)的功率損耗是效率為 95% 的系統(tǒng)的兩倍：每個百分點都很重要。

推動更高效率的另一個驅(qū)動因素是電源的管理法規(guī)和標準，這些法規(guī)和標準變得越來越嚴格。更多與營銷相關(guān)的綠色認證也需要越來越高的標準。

提高效率

在使用GaN 晶體管的應(yīng)用中，我們可以采用兩條主要途徑來改進特定應(yīng)用。

首先是保持工作頻率接近等效的基于硅的系統(tǒng)，因為基于 GaN 的 FET 的損耗較小。

第二個是通過增加頻率來縮小系統(tǒng)，在這種情況下，轉(zhuǎn)換或開關(guān)損耗再次成為主要因素。

在第二種情況下，功率密度增加，需要進一步提高效率。

降低開關(guān)損耗的最佳方法是采用諧振或準諧振方案。同樣的基本概念也適用：以零電流或零電壓（或接近零）切換晶體管。許多此類拓撲已經(jīng)存在于我們可以擴展到 GaN 的硅解決方案中。

使用 GaN 的優(yōu)勢在于開關(guān)頻率和轉(zhuǎn)換速度足夠高，我們可以使用無源元件的寄生效應(yīng)作為設(shè)計的一部分來調(diào)整諧振。更小的寄生效應(yīng)也會導(dǎo)致更低的循環(huán)電流并縮短死區(qū)時間。這從本質(zhì)上簡化了設(shè)計，降低了成本、重量以及與額外組件相關(guān)的所有額外損失。

我們可以通過利用高頻降低電流紋波來降低傳導(dǎo)損耗（較低的電流峰值會產(chǎn)生較低的傳導(dǎo)損耗）。AC/DC 轉(zhuǎn)換的一個很好的例子是有源開關(guān)功率因數(shù)校正 (PFC) 電路，其中充電電流是正弦而不是脈沖，從而降低了峰值電流傳導(dǎo)損耗。類似地，有源開關(guān)的效率可以通過使用非?？焖俚目刂破鱽碜畲蠡瑥亩ㄟ^功率級呈現(xiàn)為低阻抗，從而提高效率。

我們可以通過諧振柵極驅(qū)動技術(shù)進一步降低激活電壓和柵極電荷 (Qg) 降低帶來的驅(qū)動損耗。

結(jié)論

減小尺寸和提高功率轉(zhuǎn)換效率是在電源系統(tǒng)中使用 GaN 的兩大明顯優(yōu)勢。

我們可以在提高頻率時減小電感器和變壓器的尺寸，但在磁通量 (dΦ/dt) 變化較大（由于電流快速變化）的情況下，能夠在數(shù)兆赫保持良好性能的磁性材料的選擇受到限制。

5MHz以上可以去掉實芯，采用空芯電感?？招碾姼邢舜判緭p耗，但是對于給定的電感值，空氣的較低介電常數(shù)會迫使匝數(shù)更多。這導(dǎo)致更高的銅損和體積可能比實芯解決方案更大的結(jié)構(gòu)，強場輻射到更遠的空間。研究人員正在試驗高頻磁性材料，這可能是多兆赫應(yīng)用的良好解決方案。

根據(jù)系統(tǒng)的不同，將頻率提高到一定限度以上可能不利于減小尺寸，因為系統(tǒng)的非電源相關(guān)組件（電源連接器、電機）可能無法相應(yīng)縮小。在這些系統(tǒng)中，推動更高頻率的原因是將電磁干擾 (EMI) 推到標準范圍之外。

GaN 是幾十年來電源領(lǐng)域最大的主要范式轉(zhuǎn)變，并且由于實現(xiàn)了極高的開關(guān)速度 (100/ns)，GaN 開關(guān)是最接近可用的理想開關(guān)的東西。

GaN 開啟了重新審視經(jīng)典電源的可能性，提高了性能、效率、成本和尺寸。更重要的是，它使設(shè)計人員能夠探索和發(fā)明硅無法想象的新拓撲。