氮化镓（GaN）技术 | 电源领域的革命性突破

 

氮化镓（GaN） 技术为电源行业提供了进一步改进电源转换的机会，从而能够减小电源的整体尺寸。

70 多年来，硅基半导体一直主导着电子行业。它的成本效益、丰富性和电气特性已得到充分了解，使其成为电子行业的首选材料。 半导体 元件，如晶体管、集成电路 （IC） 和二极管，通常在其成分中使用硅 （Si） 材料来执行其设计功能。

在电子产品主导的世界中，消费者越来越寻求更小、更轻的设备。电源也不例外，通常是任何系统中最大的“组件”。功率密度是一个持续讨论的话题，因为设计人员努力将最大的功率封装到尽可能小的封装中。   
 

氮化镓（GaN）技术为电源行业提供了进一步改进电源转换的机会，从而能够减小电源的整体尺寸。

 

什么是氮化镓（GaN）？

氮化镓（GaN）是一种宽带隙半导体材料，这意味着与传统硅相比，其价带和导带之间的能隙大约大 3  倍。从历史上看，它不如硅具有成本效益或广泛使用;然而，近年来，它的价格已达到具有竞争力，尤其是在低功耗应用中。此外，与硅基元件相比，GaN  具有卓越的电子迁移率和热特性，是实现最佳效率的完美配方，并为电子行业开辟了新的机会，尤其是在开关模式电源 （SMPS） 领域。

在功率转换领域，氮化镓（GaN）并不是一项新技术。它的首次应用可以追溯到 1970 年代，当时它掺杂了镁，创造了第一个能够发出蓝光的 LED。在  2000 年代初期，采用 GaN 的高电子迁移率晶体管 （HEMT） 被引入射频 （RF） 应用。然而，GaN 技术是低功率 AC-DC  行业相对较新的进入者，其驱动力是可用性的提高，因此大批量材料成本的降低。在 2010 年代，基于 GaN 的场效应晶体管 （FET）  在消费市场中得到了更广泛的应用，尤其是对于更高功率的应用。

使用氮化镓（GaN）的主要优势

在顶层，SMPS 使用 FET 作为快速开关器件，以有效地为负载供电。FET 开关由栅极驱动 IC 控制，这些 IC  通过监控电源输出的控制电路来响应负载变化。尽管传统的硅基金属氧化物半导体场效应晶体管 （MOSFET） 通常用于 SMPS  应用，但这些设计仍然存在重大损耗。造成这些损耗的主要因素是导通、开关和反向恢复。凭借其卓越的电子迁移率和热特性，GaN  技术为工程师提供了新的机会，可以提高电源设计的效率，同时减小整体尺寸。

更低的导通损耗

GaN FET 的工作原理与 MOSFET 类似。然而，它们的热特性和高电子迁移率路径使这些损失最小化。GaN FET 最显着的特性之一是其显着降低的漏源电阻 （R DS（on） ）。当 FET 处于饱和模式时，功率以热量的形式消散。以下方程描述了这种关系：

因此，使用 GaN FET，当它们处于饱和模式时，以热量形式损失的功率更少。顺便说一句，GaN 器件的导通损耗类似于双极结型晶体管 （BJT） 器件的导通损耗。

开关损耗

功率损耗也是 FET 开关过程的结果。这些损耗是由于输入电容 （C iss ） 和打开和关闭 FET 所需的电荷量（也称为栅极电荷 （Q g ））以及栅极和源极端子之间的电压 （V GS ） 造成的。以下公式与这些参数相关：

 

当 FET 的栅极充电和放电时，开关功率损耗 （P sw ） 以热量的形式发生。该公式可以近似于此：

GaN FET 具有较小的输入电容，因此栅极电荷较少。高开关频率 （f sw ） 降低了开关损耗，有助于提高整体效率（见图 1）。

反向恢复损失

GaN FET 的反向恢复损耗为零。在硅基 MOSFET 中，由于体二极管位于 P 或 N 沟道结点，因此会产生反向恢复损耗。当  MOSFET 从正向偏置（导通）转换为反向偏置（非导通）时，会产生损耗。这是每个二极管的寄生特性，是二极管中状态之间存储电荷的结果。由于 GaN  FET 没有体二极管，因此消除了这些损耗。

总体而言，GaN 提供了 MOSFET 和 BJT 技术的最佳优势，将 MOSFET 的易于驱动与 BJT 的低导通损耗相结合。结果是更高的运行效率，从而减少了电源中的功率损耗。

减少占地面积

GaN 的材料特性不仅使 FET 比硅基 FET 更小，而且功率损耗更小，需要的散热技术更少。这意味着电源设计人员可以使用更小的散热元件节省更多空间，从而进一步缩小占用空间。

此外， sw基于 GaN 的 FET 的 f sw 更快，允许减小传统上较大的无源元件，例如通常用于 Si 基 FET 的变压器和电感器。这种尺寸的减小还有助于减少 SMPS 的整体占用空间。

TT Electronics   TEAM 和 TEAD GaN 系列交流桌面电源适配器可提供 45W 至 420W 的功率，专注于高功率密度（图  2）。这些新型电源适配器比公司现有的 ITE 和医疗认证台式机 PEAM 和 PEAD 系列轻 30%，小 40%。通过使用 GaN  技术实现的尺寸和重量的减小，使时尚的外形满足了医疗和工业电子行业的需求。

氮化镓（GaN）技术已成为电源设计领域的变革力量，与传统的硅基半导体相比，它具有许多优势。凭借其卓越的电子迁移率、热特性和在更高频率下工作的能力，GaN 使工程师能够制造出不仅效率更高，而且尺寸更小的电源。

氮化镓（GaN）的主要优势，例如减少导通、开关和反向恢复损耗，转化为电源性能的切实改进。这些改进包括更高的运行效率，这反过来又导致散热要求降低。因此，这允许减小无源元件的尺寸，最终实现更紧凑的电源占用空间。随着氮化镓（GaN）技术的不断成熟和更具成本效益，它有望彻底改变电源行业，满足对更高效、更节省空间的电子设备不断增长的需求。