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。隨著基於矽的技術接近其發展極限，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。
對於新技術而言，GaN本質上比其將取代的技術（矽）成本低。GaN器件與矽器件是在同一工廠用相同的製造程序生產出。因此，由於GaN器件小於等效矽器件，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有許多性能優勢，包括遠高於矽的電子遷移率（3.4eV對比1.1eV），這使其具有比矽高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，並且由於必須在每個開關周期內對其進行補充，因此GaN能夠以高達1 MHz的頻率工作，效率不會降低，而矽則難以達到100 kHz以上。此外，與矽不同，GaN沒有體二極體，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。
圖1：GaN經優化實現快速開關
GaN確實具有有限的雪崩能力，並且比矽更容易受到過電壓的影響，因此極其適用於漏-源電壓（VDS）鉗位在軌電壓的半橋拓撲。無體二極體使GaN成為硬開關圖騰柱功率因數校正（PFC）的很好的選擇，並且GaN也非常適用於零電壓開關（ZVS）應用，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於基於GaN的有源鉗位反激，而基於LLC的GaN用於150 W至300 W的高端筆記本電腦電源適配器中，例如用於遊戲的筆記本電腦。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30 W / in3。
在更高功率的應用中，例如為伺服器、雲和電信系統供電的電源，尤其是基於圖騰柱PFC的電源，採用GaN可使能效超過99％。這使這些系統能夠滿足最重要的（和嚴格的）能效標準，如80+ titanium。
驅動GaN器件的方法對於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壓器（LDO）到現有的矽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，矽MOSFET驅動器的典型傳輸延遲時間約為100 ns，這不適合驅動速度在500 kHz到1 MHz之間的GaN器件。對於此類速度，理想情況下，傳輸延遲應不超過50 ns。
由於電容較低，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100 V / ns的範圍內）。
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是業界首款半橋門極驅動器，專門設計用於GaN技術。它具有調節的5.2 V門極驅動，典型的傳輸延遲僅為25 ns。它具有高達200 V / ns的dv / dt抗擾度，採用低電感PQFN封裝。
圖2：NCP51820高性能、650 V半橋門極驅動器用於GaN電源開關
最初採用GaN技術並增長的將是如低功率快速充電USB PD電源適配器和遊戲類筆記本電腦高功率適配器等應用。這主要歸因於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於伺服器、雲和電信等更高功率的應用，那麼GaN也將被採用。
| 來源：安森美半導體策略營銷總監Yong Ang
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