使用GaN增加电源的功率，并且能够较小电源的体积优势

随着在晶体管制造中引入新的宽带隙材料，例如氮化镓 (GaN)，显着的品质因数改进转化为电源的潜在改进。使用比硅基半导体具有更高带隙的新型材料可以减小芯片尺寸，同时保持相同的阻断电压。

较小的管芯导致寄生电容和晶体管栅极电荷 (Qg) 和输出电容 (Coss) 的降低。与经典的硅 MOSFET 相比，这直接转化为更快的转换速度，具有更少的转换损耗、更少的 Coss 耗散和在给定频率下的驱动 Qg 损耗。

鉴于开关损耗变得非常大，设计人员不会在数百千赫兹以上的功率应用中驱动硅 FET，而较低的寄生效应使基于 GaN 的 FET 能够以高达 10 倍的频率工作，同时保持相当的开关和驱动损耗。

这种在更高频率下工作的能力降低了纹波电压和电流，这相当于降低了传导和磁芯损耗，并有可能减小电感和电容元件的尺寸。

更小的产品：不断增加的功率密度

当电源的功率密度由于其组件的缩小而增加时，产生的热量会发生什么变化？

随着功率损耗密度的增加，热管理可能变得具有挑战性。对于给定的纵横比，可用于热交换的面积随着体积的减小而减小，从而导致更高的表面温度。

为了缩小电力系统的规模，必须提高效率。从损耗的角度来看，效率为 90% 的系统的功率损耗是效率为 95% 的系统的两倍：每个百分点都很重要。

推动更高效率的另一个驱动因素是电源的管理法规和标准，这些法规和标准变得越来越严格。更多与营销相关的绿色认证也需要越来越高的标准。

提高效率

在使用GaN 晶体管的应用中，我们可以采用两条主要途径来改进特定应用。

首先是保持工作频率接近等效的基于硅的系统，因为基于 GaN 的 FET 的损耗较小。

第二个是通过增加频率来缩小系统，在这种情况下，转换或开关损耗再次成为主要因素。

在第二种情况下，功率密度增加，需要进一步提高效率。

降低开关损耗的最佳方法是采用谐振或准谐振方案。同样的基本概念也适用：以零电流或零电压（或接近零）切换晶体管。许多此类拓扑已经存在于我们可以扩展到 GaN 的硅解决方案中。

使用 GaN 的优势在于开关频率和转换速度足够高，我们可以使用无源元件的寄生效应作为设计的一部分来调整谐振。更小的寄生效应也会导致更低的循环电流并缩短死区时间。这从本质上简化了设计，降低了成本、重量以及与额外组件相关的所有额外损失。

我们可以通过利用高频降低电流纹波来降低传导损耗（较低的电流峰值会产生较低的传导损耗）。AC/DC 转换的一个很好的例子是有源开关功率因数校正 (PFC) 电路，其中充电电流是正弦而不是脉冲，从而降低了峰值电流传导损耗。类似地，有源开关的效率可以通过使用非常快速的控制器来最大化，从而通过功率级呈现为低阻抗，从而提高效率。

我们可以通过谐振栅极驱动技术进一步降低激活电压和栅极电荷 (Qg) 降低带来的驱动损耗。

结论

减小尺寸和提高功率转换效率是在电源系统中使用 GaN 的两大明显优势。

我们可以在提高频率时减小电感器和变压器的尺寸，但在磁通量 (dΦ/dt) 变化较大（由于电流快速变化）的情况下，能够在数兆赫保持良好性能的磁性材料的选择受到限制。

5MHz以上可以去掉实芯，采用空芯电感。空心电感消除了磁芯损耗，但是对于给定的电感值，空气的较低介电常数会迫使匝数更多。这导致更高的铜损和体积可能比实芯解决方案更大的结构，强场辐射到更远的空间。研究人员正在试验高频磁性材料，这可能是多兆赫应用的良好解决方案。

根据系统的不同，将频率提高到一定限度以上可能不利于减小尺寸，因为系统的非电源相关组件（电源连接器、电机）可能无法相应缩小。在这些系统中，推动更高频率的原因是将电磁干扰 (EMI) 推到标准范围之外。

GaN 是几十年来电源领域最大的主要范式转变，并且由于实现了极高的开关速度 (100/ns)，GaN 开关是最接近可用的理想开关的东西。

GaN 开启了重新审视经典电源的可能性，提高了性能、效率、成本和尺寸。更重要的是，它使设计人员能够探索和发明硅无法想象的新拓扑。