氮化鎵（GaN） 技術為電源行業提供了進一步改進電源轉換的機會，從而能夠減小電源的整體尺寸。

70 多年來，硅基半導體一直主導著電子行業。它的成本效益、豐富性和電氣特性已得到充分了解，使其成為電子行業的首選材料。 半導體 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） 材料來執行其設計功能。

在電子產品主導的世界中，消費者越來越尋求更小、更輕的設備。電源也不例外，通常是任何系統中最大的“組件”。功率密度是一個持續討論的話題，因為設計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）技術為電源行業提供了進一步改進電源轉換的機會，從而能夠減小電源的整體尺寸。

什么是氮化鎵（GaN）？

氮化鎵（GaN）是一種寬帶隙半導體材料，這意味著與傳統硅相比，其價帶和導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，它的價格已達到具有競爭力，尤其是在低功耗應用中。此外，與硅基元件相比，GaN 具有卓越的電子遷移率和熱特性，是實現最佳效率的完美配方，并為電子行業開辟了新的機會，尤其是在開關模式電源 （SMPS） 領域。

在功率轉換領域，氮化鎵（GaN）并不是一項新技術。它的首次應用可以追溯到 1970 年代，當時它摻雜了鎂，創造了第一個能夠發出藍光的 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） 應用。然而，GaN 技術是低功率 AC-DC 行業相對較新的進入者，其驅動力是可用性的提高，因此大批量材料成本的降低。在 2010 年代，基于 GaN 的場效應晶體管 （FET） 在消費市場中得到了更廣泛的應用，尤其是對于更高功率的應用。

使用氮化鎵（GaN）的主要優勢

在頂層，SMPS 使用 FET 作為快速開關器件，以有效地為負載供電。FET 開關由柵極驅動 IC 控制，這些 IC 通過監控電源輸出的控制電路來響應負載變化。盡管傳統的硅基金屬氧化物半導體場效應晶體管 （MOSFET） 通常用于 SMPS 應用，但這些設計仍然存在重大損耗。造成這些損耗的主要因素是導通、開關和反向恢復。憑借其卓越的電子遷移率和熱特性，GaN 技術為工程師提供了新的機會，可以提高電源設計的效率，同時減小整體尺寸。

更低的導通損耗

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 FET 處于飽和模式時，功率以熱量的形式消散。以下方程描述了這種關系：

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

開關損耗

功率損耗也是 FET 開關過程的結果。這些損耗是由于輸入電容 （Ciss） 和打開和關閉 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相關：

當 FET 的柵極充電和放電時，開關功率損耗 （Psw） 以熱量的形式發生。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。高開關頻率 （fsw） 降低了開關損耗，有助于提高整體效率（見圖 1）。

反向恢復損失

GaN FET 的反向恢復損耗為零。在硅基 MOSFET 中，由于體二極管位于 P 或 N 溝道結點，因此會產生反向恢復損耗。當 MOSFET 從正向偏置（導通）轉換為反向偏置（非導通）時，會產生損耗。這是每個二極管的寄生特性，是二極管中狀態之間存儲電荷的結果。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 技術的最佳優勢，將 MOSFET 的易于驅動與 BJT 的低導通損耗相結合。結果是更高的運行效率，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，需要的散熱技術更少。這意味著電源設計人員可以使用更小的散熱元件節省更多空間，從而進一步縮小占用空間。

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有的 ITE 和醫療認證臺式機 PEAM 和 PEAD 系列輕 30%，小 40%。通過使用 GaN 技術實現的尺寸和重量的減小，使時尚的外形滿足了醫療和工業電子行業的需求。

氮化鎵（GaN）技術已成為電源設計領域的變革力量，與傳統的硅基半導體相比，它具有許多優勢。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）的主要優勢，例如減少導通、開關和反向恢復損耗，轉化為電源性能的切實改進。這些改進包括更高的運行效率，這反過來又導致散熱要求降低。因此，這允許減小無源元件的尺寸，最終實現更緊湊的電源占用空間。隨著氮化鎵（GaN）技術的不斷成熟和更具成本效益，它有望徹底改變電源行業，滿足對更高效、更節省空間的電子設備不斷增長的需求。