在所有電力電子應(yīng)用中，功率密度是關(guān)鍵指標(biāo)之一,，這主要由更高能效和更高開(kāi)關(guān)頻率驅(qū)動(dòng),。隨著基于硅的技術(shù)接近其發(fā)展極限,，設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在正尋求寬禁帶技術(shù)如氮化鎵（GaN）來(lái)提供方案,。

　　對(duì)于新技術(shù)而言,，GaN 本質(zhì)上比其將取代的技術(shù)（硅）成本低。GaN 器件與硅器件是在同一工廠用相同的制造程序生產(chǎn)出,。因此,，由于 GaN 器件小于等效硅器件，因此每個(gè)晶片可以生產(chǎn)更多的器件,，從而降低了每個(gè)晶片的成本,。

　　GaN 有許多性能優(yōu)勢(shì)，包括遠(yuǎn)高于硅的電子遷移率（3.4eV 對(duì)比 1.1eV）,，這使其具有比硅高 1000 倍的電子傳導(dǎo)效率的潛力,。值得注意的是，GaN 的門(mén)極電荷（QG）較低,，并且由于必須在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充,，因此 GaN 能夠以高達(dá) 1 MHz 的頻率工作，效率不會(huì)降低,，而硅則難以達(dá)到 100 kHz 以上。此外,，與硅不同,，GaN 沒(méi)有體二極管，其在 AlGaN / GaN 邊界表面的 2DEG 可以沿相反方向傳導(dǎo)電流（稱(chēng)為“第三象限”操作）,。因此,，GaN 沒(méi)有反向恢復(fù)電荷（QRR）,，使其非常適合硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用。

　　圖 1：GaN 經(jīng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)

　　GaN 確實(shí)具有有限的雪崩能力,，并且比硅更容易受到過(guò)電壓的影響,，因此極其適用于漏 - 源電壓（VDS）鉗位在軌電壓的半橋拓?fù)洹o(wú)體二極管使 GaN 成為硬開(kāi)關(guān)圖騰柱功率因數(shù)校正（PFC）的很好的選擇,，并且 GaN 也非常適用于零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）應(yīng)用,，包括諧振 LLC 和有源鉗位反激。

　　45 W 至 65 W 功率水平的快速充電適配器將得益于基于 GaN 的有源鉗位反激,，而基于 LLC 的 GaN 用于 150 W 至 300 W 的高端筆記本電腦電源適配器中,，例如用于游戲的筆記本電腦。在這些應(yīng)用中,，使用 GaN 技術(shù)可使功率密度增加一倍,，從而使適配器更小、更輕,。特別地,，相關(guān)的磁性元器件能夠減小尺寸。例如,，電源變壓器內(nèi)核的尺寸可從 RM10 減小為 RM8 的薄型或平面設(shè)計(jì),。因此，在許多應(yīng)用中,，功率密度增加了一倍甚至三倍,，達(dá) 30 W / in3。

　　在更高功率的應(yīng)用中,，例如為服務(wù)器,、云和電信系統(tǒng)供電的電源，尤其是基于圖騰柱 PFC 的電源,，采用 GaN 可使能效超過(guò) 99％,。這使這些系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足最重要的（和嚴(yán)格的）能效標(biāo)準(zhǔn)，如 80+ titanium,。

　　驅(qū)動(dòng) GaN 器件的方法對(duì)于保護(hù)相對(duì)敏感的柵極氧化物至關(guān)重要,。在器件導(dǎo)通期間提供精確調(diào)節(jié)的門(mén)極驅(qū)動(dòng)幅值尤為重要。實(shí)現(xiàn)此目的的一種方法是添加低壓降穩(wěn)壓器（LDO）到現(xiàn)有的硅 MOSFET 門(mén)極驅(qū)動(dòng)器中,。但這會(huì)損害門(mén)極驅(qū)動(dòng)性能,，因此，最好使用驅(qū)動(dòng) GaN 的專(zhuān)用半橋驅(qū)動(dòng)器,。

　　更具體地說(shuō),，硅 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器的典型傳輸延遲時(shí)間約為 100 ns，這不適合驅(qū)動(dòng)速度在 500 kHz 到 1 MHz 之間的 GaN 器件,。對(duì)于此類(lèi)速度,，理想情況下,，傳輸延遲應(yīng)不超過(guò) 50 ns。

　　由于電容較低,，因此在 GaN 器件的漏極和源極之間有高電壓轉(zhuǎn)換率,。這可能導(dǎo)致器件過(guò)早失效甚至發(fā)生災(zāi)難性故障，尤其是在大功率應(yīng)用中,。為避免這種情況,，必須有高的 dv / dt 抗擾度（在 100 V / ns 的范圍內(nèi)）。

　　PCB 會(huì)對(duì) GaN 設(shè)計(jì)的性能產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響,，因此經(jīng)常使用 RF 型布局中常用的技術(shù),。我們還建議對(duì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)器使用低電感封裝（如 PQFN）。

　　安森美半導(dǎo)體的 NCP51820 是業(yè)界首款半橋門(mén)極驅(qū)動(dòng)器,，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于 GaN 技術(shù),。它具有調(diào)節(jié)的 5.2 V 門(mén)極驅(qū)動(dòng)，典型的傳輸延遲僅為 25 ns,。它具有高達(dá) 200 V / ns 的 dv / dt 抗擾度,，采用低電感 PQFN 封裝。

　　圖 2：NCP51820 高性能,、650 V 半橋門(mén)極驅(qū)動(dòng)器用于 GaN 電源開(kāi)關(guān)

　　最初采用 GaN 技術(shù)并增長(zhǎng)的將是如低功率快速充電 USB PD 電源適配器和游戲類(lèi)筆記本電腦高功率適配器等應(yīng)用,。這主要?dú)w因于有控制器和驅(qū)動(dòng)器可支持需要高開(kāi)關(guān)頻率的這些應(yīng)用，從而縮短了設(shè)計(jì)周期,。隨著合適的驅(qū)動(dòng)器,、控制器和模塊方案可用于服務(wù)器、云和電信等更高功率的應(yīng)用,，那么 GaN 也將被采用,。