氮化鎵（GaN） 技術(shù)為電源行業(yè)提供了進(jìn)一步改進(jìn)電源轉(zhuǎn)換的機(jī)會(huì)，從而能夠減小電源的整體尺寸。

70 多年來，硅基半導(dǎo)體一直主導(dǎo)著電子行業(yè)。它的成本效益、豐富性和電氣特性已得到充分了解，使其成為電子行業(yè)的首選材料。 半導(dǎo)體 元件，如晶體管、集成電路 （IC） 和二極管，通常在其成分中使用硅 （Si） 材料來執(zhí)行其設(shè)計(jì)功能。

在電子產(chǎn)品主導(dǎo)的世界中，消費(fèi)者越來越尋求更小、更輕的設(shè)備。電源也不例外，通常是任何系統(tǒng)中最大的“組件”。功率密度是一個(gè)持續(xù)討論的話題，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員努力將最大的功率封裝到盡可能小的封裝中。

氮化鎵（GaN）技術(shù)為電源行業(yè)提供了進(jìn)一步改進(jìn)電源轉(zhuǎn)換的機(jī)會(huì)，從而能夠減小電源的整體尺寸。

什么是氮化鎵（GaN）？

氮化鎵（GaN）是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，這意味著與傳統(tǒng)硅相比，其價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙大約大 3 倍。從歷史上看，它不如硅具有成本效益或廣泛使用;然而，近年來，它的價(jià)格已達(dá)到具有競爭力，尤其是在低功耗應(yīng)用中。此外，與硅基元件相比，GaN 具有卓越的電子遷移率和熱特性，是實(shí)現(xiàn)最佳效率的完美配方，并為電子行業(yè)開辟了新的機(jī)會(huì)，尤其是在開關(guān)模式電源 （SMPS） 領(lǐng)域。

在功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，氮化鎵（GaN）并不是一項(xiàng)新技術(shù)。它的首次應(yīng)用可以追溯到 1970 年代，當(dāng)時(shí)它摻雜了鎂，創(chuàng)造了第一個(gè)能夠發(fā)出藍(lán)光的 LED。在 2000 年代初期，采用 GaN 的高電子遷移率晶體管 （HEMT） 被引入射頻 （RF） 應(yīng)用。然而，GaN 技術(shù)是低功率 AC-DC 行業(yè)相對較新的進(jìn)入者，其驅(qū)動(dòng)力是可用性的提高，因此大批量材料成本的降低。在 2010 年代，基于 GaN 的場效應(yīng)晶體管 （FET） 在消費(fèi)市場中得到了更廣泛的應(yīng)用，尤其是對于更高功率的應(yīng)用。

使用氮化鎵（GaN）的主要優(yōu)勢

在頂層，SMPS 使用 FET 作為快速開關(guān)器件，以有效地為負(fù)載供電。FET 開關(guān)由柵極驅(qū)動(dòng) IC 控制，這些 IC 通過監(jiān)控電源輸出的控制電路來響應(yīng)負(fù)載變化。盡管傳統(tǒng)的硅基金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 （MOSFET） 通常用于 SMPS 應(yīng)用，但這些設(shè)計(jì)仍然存在重大損耗。造成這些損耗的主要因素是導(dǎo)通、開關(guān)和反向恢復(fù)。憑借其卓越的電子遷移率和熱特性，GaN 技術(shù)為工程師提供了新的機(jī)會(huì)，可以提高電源設(shè)計(jì)的效率，同時(shí)減小整體尺寸。

更低的導(dǎo)通損耗

GaN FET 的工作原理與 MOSFET 類似。然而，它們的熱特性和高電子遷移率路徑使這些損失最小化。GaN FET 最顯著的特性之一是其顯著降低的漏源電阻 （RDS（on））。當(dāng) FET 處于飽和模式時(shí)，功率以熱量的形式消散。以下方程描述了這種關(guān)系：

因此，使用 GaN FET，當(dāng)它們處于飽和模式時(shí)，以熱量形式損失的功率更少。順便說一句，GaN 器件的導(dǎo)通損耗類似于雙極結(jié)型晶體管 （BJT） 器件的導(dǎo)通損耗。

開關(guān)損耗

功率損耗也是 FET 開關(guān)過程的結(jié)果。這些損耗是由于輸入電容 （Ciss） 和打開和關(guān)閉 FET 所需的電荷量（也稱為柵極電荷 （Qg））以及柵極和源極端子之間的電壓 （VGS） 造成的。以下公式與這些參數(shù)相關(guān)：

當(dāng) FET 的柵極充電和放電時(shí)，開關(guān)功率損耗 （Psw） 以熱量的形式發(fā)生。該公式可以近似于此：

GaN FET 具有較小的輸入電容，因此柵極電荷較少。高開關(guān)頻率 （fsw） 降低了開關(guān)損耗，有助于提高整體效率（見圖 1）。

反向恢復(fù)損失

GaN FET 的反向恢復(fù)損耗為零。在硅基 MOSFET 中，由于體二極管位于 P 或 N 溝道結(jié)點(diǎn)，因此會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗。當(dāng) MOSFET 從正向偏置（導(dǎo)通）轉(zhuǎn)換為反向偏置（非導(dǎo)通）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生損耗。這是每個(gè)二極管的寄生特性，是二極管中狀態(tài)之間存儲(chǔ)電荷的結(jié)果。由于 GaN FET 沒有體二極管，因此消除了這些損耗。

總體而言，GaN 提供了 MOSFET 和 BJT 技術(shù)的最佳優(yōu)勢，將 MOSFET 的易于驅(qū)動(dòng)與 BJT 的低導(dǎo)通損耗相結(jié)合。結(jié)果是更高的運(yùn)行效率，從而減少了電源中的功率損耗。

減少占地面積

GaN 的材料特性不僅使 FET 比硅基 FET 更小，而且功率損耗更小，需要的散熱技術(shù)更少。這意味著電源設(shè)計(jì)人員可以使用更小的散熱元件節(jié)省更多空間，從而進(jìn)一步縮小占用空間。

此外，sw基于 GaN 的 FET 的 f sw 更快，允許減小傳統(tǒng)上較大的無源元件，例如通常用于 Si 基 FET 的變壓器和電感器。這種尺寸的減小還有助于減少 SMPS 的整體占用空間。

TT Electronics TEAM 和 TEAD GaN 系列交流桌面電源適配器可提供 45W 至 420W 的功率，專注于高功率密度（圖 2）。這些新型電源適配器比公司現(xiàn)有的 ITE 和醫(yī)療認(rèn)證臺(tái)式機(jī) PEAM 和 PEAD 系列輕 30%，小 40%。通過使用 GaN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的尺寸和重量的減小，使時(shí)尚的外形滿足了醫(yī)療和工業(yè)電子行業(yè)的需求。

氮化鎵（GaN）技術(shù)已成為電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域的變革力量，與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體相比，它具有許多優(yōu)勢。憑借其卓越的電子遷移率、熱特性和在更高頻率下工作的能力，GaN 使工程師能夠制造出不僅效率更高，而且尺寸更小的電源。

氮化鎵（GaN）的主要優(yōu)勢，例如減少導(dǎo)通、開關(guān)和反向恢復(fù)損耗，轉(zhuǎn)化為電源性能的切實(shí)改進(jìn)。這些改進(jìn)包括更高的運(yùn)行效率，這反過來又導(dǎo)致散熱要求降低。因此，這允許減小無源元件的尺寸，最終實(shí)現(xiàn)更緊湊的電源占用空間。隨著氮化鎵（GaN）技術(shù)的不斷成熟和更具成本效益，它有望徹底改變電源行業(yè)，滿足對更高效、更節(jié)省空間的電子設(shè)備不斷增長的需求。