氮化鎵（GaN）作為半導體第三代材料，近年來高頻進入業界視野。各大IC廠商先后涉足氮化鎵領域，源由氮化鎵的寬禁帶、高擊穿電壓、大熱導率等特性，確立了其在制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件方面的領先地位，GaN器件正在向各應用領域滲透著。以電源管理為例，隨著新應用對高壓和高性能的要求逐步提升，氮化鎵（GaN）備受關注，其可提供超越于傳統硅MOSFET的技術優勢，實現更高效率、更低溫度和更小的尺寸，被業界一致認為是功率變換領域的未來。

近日深耕于高壓集成電路高能效功率轉換領域的知名公司Power Integrations發布了其InnoSwitch?3系列恒壓/恒流離線反激式開關電源IC的新成員--基于氮化鎵的InnoSwitch3 AC-DC變換器IC，可滿載情況下實現95%的高效率，并且在密閉適配器內不使用散熱片的情況下可提供100 W的功率輸出。

PI資深技術培訓經理閻金光先生在發布會上表示，基于GaN的InnoSwitch3系列器件可提供更大功率、更高的效率以及更具可靠性。適用于對尺寸和效率有較高要求的應用，如移動設備、機頂盒、顯示器、家電、網絡設備和游戲機的USB-PD和大電流充電器/適配器等等。

PowiGaN集成到IC內部更具實用性

PI把這種基于GaN的開關技術稱為PowiGaN，。隨后閻先生告訴記者，其實設計一款可靠安全的GaN開關相對有一定的難度，但PI將PowiGaN集成到IC內部，大大的增加了IC的可靠性，為開關工作提供安全的保護。工程師可以看到明顯的性能提升，但GaN開關與基于硅的MOSFET開關在電源工作方式上沒有任何區別。簡單的反激式電路拓撲結構、無論是采用硅晶體管還是采用PowiGaN開關的InnoSwitch3 IC均使用相同的開關電源設計流程、相同的開關頻率、開關波形也極為相似、無異常的電路特性表現及增加特別的設計考量，只需根據輸出功率的不同選取相應的外部電路元件。保證了新的產品與傳統InnoSwitch3使用一致性、連貫性，可以說PI這家公司讓GaN變的更具實用性。

PowiGaN可提供更高效率、更大的輸出功率

準諧振模式的InnoSwitch3系列IC在一個表面貼裝封裝內集成了初級電路、次級電路和反饋電路。新發布的基于GaN的InnoSwitch3產品中，將初級的常規高壓硅晶體管替換成氮化鎵（GaN），可以降低電流流動期間的傳導損耗，并極大降低工作時的開關損耗。最終有助于大幅降低電源的能耗，從而提高效率，使體積更小的InSOP-24D封裝提供更大的輸出功率。

當然市場上有些聲音表示，他們可以利用這個開關損耗的降低，將開關頻率做的更高，甚至有些廠商做到了300K，以便將變壓器、電源的體積變的更小，但隨之而來的劣勢就是EMI電磁干擾不容易通過，這樣一來還需加許多額外的器件來滿足電磁測試的標準要求，反而使得電源的體積變的更大，因此閻先生說GAN開關的優勢利用要在一個合理的頻率范圍內，即頻率不要高到影響了EMI，目前PI 的InnoSwitch 3沿用了原來基于硅開關的100KHZ的開關頻率。

GAN開關增加了InnoSwitch 3的效率和輸出功率

上圖中，藍色條形是基于硅的MOSFET管，我們可以看到隨著功率的增大，導通電阻是逐漸降低的；右側紅色所示為PowiGaN技術的開關導通電阻特性，由于其優異的開關特性因而可以保證在具有前級功率因數校正電路的情況下將功率做到120W，遠大于硅芯片的輸出功率。

同時GaN開關將功率提升后耐壓也隨之更高了，可以達到750V，意味著安全性更高。

GaN開關極大的降低了損耗

MOSFET的輸出電容在其開通時通過本身進行放電，每一個開關周期，輸出電容都會有充電、放電的過程，寄生電容的大小與MOSFET的大小成比例，而更大的MOSFET意味著更多的開關損耗。同時導通損耗會隨著管子大小的增大而減小。那如何來避免呢？閻先生講到，PI的GaN開關，輸出電容非常小，幾乎可以忽略不計 ，開關損耗非常低，因此總體損耗相對于MOSFET會更低。同時可以把效率提升更高，見下圖GaN技術功率損耗（紅色）與傳統MOSFET的功率損耗（灰色）對比。

PI已發布多款PowiGaN的參考設計

基于PowiGaN的InnoSwitch 3設計可實現95%的滿載效率，在適配器設計中可省去散熱片，PI65W20V的DER-747適配器，滿載效率在230VAC下為95%，在115VAC下為94%。PowiGaN的高效還可提高60W USB PD電源在各種負載下的性能。

總結起來，PowiGaN器件可提供更大的功率，其導通電阻更小，開關損耗更低；

與傳統的InnoSwitch 3硅晶體管的工作方式無明顯區別；生產工藝由PI開發和維護，與已經擁有的合作伙伴協同工作；具有業內先進的GaN認證過程。

PowiGaN技術擴展到LYTSwitch-6系列產品

除此之外，PI還將PowiGaN擴展到LED照明應用領域，同樣可實現更高的效率和功率。非常適合于有體積效率有要求的應用場合，如：高度具有要求的天花LED燈具驅動、高低艙頂燈燈具、LED路燈驅動、工業用12V或24V恒壓輸出等應用。

目前PI在其LYTSwitch-6系列的兩個器件里采用了PowiGaN技術。回顧前一代基于硅晶體管的LYTSwitch-6系列產品，閻先生表示，該系列在高達65W的應用中已表現的非常出色，而采用PowiGaN開關后，可通過簡單靈活的反激拓撲實現高達110 W輸出功率和94%轉換效率的設計。

設計實例-使用HiperPFS-4 和內部集成PowiGaN開關的LYTSwitch-6實現的兩級照明鎮流器應用以上原理圖所示， 我們可看到該設計有兩級構成，前面一級使用的是來自PI的功率因數校正IC-HiperPFS-4，而升壓二極管也是采用該公司的Qspeed系列二極管，HiperPFS-4除了功率因數校正之外，可以保證母線電壓永遠都保持400V，使后面DC/DC部分可以輸出更高的功率。使用HiperPFS-4的升壓PFC ，230V時的PF可以達0.99，THD小于10%，而反激式的DC/DC變換級則由初級側使用PowiGaN開關的LYTSwitch-6來實現。大功率密度的LYTSwitch-6設計可減小LED驅動器的高度和重量，這對于空間受限且密閉的鎮流器應用而言至關重要。

上圖是基于PowiGaN開關的參考設計板DER-801，100W輸出功率，滿載效率在277VAC下為90.5%。

GaN屬于新興產業，整個產業鏈還處于發展初期，顯然眾多IC廠商躍躍欲試，但PI這家公司基于原有的功率技術和產業功底，新產品已相對成熟，并得到客戶的認可，多家客戶已利用其技術投入眾多產品生產。InnoSwitch3已成為離線開關電源IC市場當之無愧的技術先行者，隨著反激式產品在效率和功率能力的提高，新的氮化鎵IC將進一步鞏固PI在市場上的優勢地位。