安森美半導體策略營銷總監(jiān)Yong Ang
在所有電力電子應用中，功率密度是關鍵指標之一，這主要由更高能效和更高開關頻率驅動。隨著基于硅的技術接近其發(fā)展極限，設計工程師現在正尋求寬禁帶技術如氮化鎵
（GaN）
來提供方案。
對于新技術而言，GaN本質上比其將取代的技術
（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出。因此，由于GaN器件小于等效硅器件，因此每個晶片可以生產更多的器件，從而降低了每個晶片的成本。
GaN有許多性能優(yōu)勢，包括
遠高于硅的電子遷移率
（3.4eV對比1.1eV）
，這使其具有比硅高1000倍的電子傳導效率的潛力。值得注意的是，GaN的門極電荷
（QG）
較低，并且由于必須在每個開關周期內對其進行補充，因此
GaN能夠以高達1MHz的頻率工作
，效率不會降低，而硅則難以達到100kHz以上。
此外，與硅不同，GaN沒有體二極管，其在AlGaN/GaN邊界表面的2DEG可以沿相反方向傳導電流
（稱為“第三象限”操作）
。因此，
GaN沒有反向恢復電荷
（QRR）
，使其非常適合硬開關應用。
GaN經優(yōu)化實現快速開關
GaN確實具有有限的雪崩能力，并且比硅更容易受到過電壓的影響，因此極其適用于
漏-源電壓（VDS）鉗位在軌電壓的半橋拓撲
。無體二極管使GaN成為
硬開關圖騰柱功率因數校正（PFC）
的很好的選擇，并且GaN也非常適用于
零電壓開關（ZVS）應用
，包括諧振LLC和有源鉗位反激。
45W至65W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150W至300W的高端筆記本電腦電源適配器中。
在這些應用中，使用GaN技術可使功率密度增加一倍，從而使適配器更小、更輕。特別地，相關的磁性元器件能夠減小尺寸。
例如，電源變壓器內核的尺寸可從RM10減小為RM8的薄型或平面設計。
因此，在許多應用中，功率密度增加了一倍甚至三倍，達30W/in3。
在更高功率的應用中
，例如為服務器、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99％。這使這些系統(tǒng)能夠滿足最重要的
（和嚴格的）
能效標準，如80+ titanium。
驅動GaN器件的方法對于保護相對敏感的柵極氧化物至關重要。在器件導通期間提供精確調節(jié)的門極驅動幅值尤為重要。
實現此目的的一種方法是添加低壓降穩(wěn)壓器
（LDO）
到現有的硅MOSFET門極驅動器中。但這會損害門極驅動性能，因此，最好使用驅動GaN的專用半橋驅動器。
更具體地說，硅MOSFET驅動器的典型傳輸延遲時間約為100ns，這不適合驅動速度在500kHz到1MHz之間的GaN器件。對于此類速度，理想情況下，傳輸延遲應不超過50ns。
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換率。這可能導致器件過早失效甚至發(fā)生災難性故障，尤其是在大功率應用中。為避免這種情況，必須有高的dv/dt抗擾度
（在100V/ns的范圍內）
。
PCB會對GaN設計的性能產生實質性影響，因此經常使用RF型布局中常用的技術。
我們還建議對門極驅動器使用低電感封裝（如PQFN）。
安森美半導體的NCP51820是業(yè)界首款半橋門極驅動器，專門設計用于GaN技術。它具有調節(jié)的5.2V門極驅動，典型的傳輸延遲僅為25ns。它具有高達200V/ns的dv/dt抗擾度，采用低電感PQFN封裝。
最初采用GaN技術并增長的將是如低功率快速充電USB PD電源適配器和游戲類筆記本電腦高功率適配器等應用。
這主要歸因于有控制器和驅動器可支持需要高開關頻率的這些應用，從而縮短了設計周期。
隨著合適的驅動器、控制器和模塊方案可用于服務器、云和電信等更高功率的應用，那么GaN也將被采用。
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