电力电子国际在1959年取得打破，其时Dawon Kahng和MarTIn Atalla在贝尔实验室发明晰金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。首款商业MOSFET在五年后发布出产，从那时起，几代MOSFET晶体管使电源规划人员完成了双极性前期产品不或许完成的功能和密度等级。
但是，近年来，这些已取得的前进开端逐步弱化，为下一个打破性技能发明了空间和需求。这便是氮化镓（GaN）有目共睹的当地。
作为一种宽带隙晶体管技能，GaN正在发明一个令人兴奋的时机，以完成电力电子体系到达新的功能和功率。GaN的固有优势为工程师敞开了重新考虑功率密度的办法，这些办法在曾经并不或许完成，现在能满意国际日益增长的电力需求。在这篇文章中，我将讨论怎么完成。
为何挑选GaN？
当触及功率密度时，GaN为硅MOSFET供给了几个首要长处和优势，包含：
• 较低的RDS（on）：如表1所示，GaN的MOSFET面积为RDS（on）的一半。这直接使电路中传导损耗下降了50％。因而，您能够在规划中运用较小的散热器和更简略的热办理。
• 较低的栅极和输出电荷：GaN供给较低的栅极电荷。与MOSFET的4nC比较，典型的中压器材具有大约1nC的栅极电荷（表2）。较低的栅极电荷使规划具有更快的导通时刻和转化速率，一起削减损耗。
类似地，GaN具有明显较低的输出电荷（表2），这为每个规划带来两层优势。首要，开关损耗下降多达80％，结合较低的传导损耗，对功率密度有重大和活跃的影响。第二，依据拓扑和运用，规划可在更高的开关频率运转高达10倍。这大大削减了磁性材料的尺度以及规划的尺度和占用空间，一起将全体功率进步了15%。
• 零反向恢复：硅MOSFET在50至60 nC范围内具有典型的反向恢复电荷，详细取决于其尺度和特性。当MOSFET关断时，体二极管中的反向恢复电荷（Qrr）发生丢失，然后添加了总的体系开关损耗。这些损耗与开关频率成正比。如图1所示，较高频率下的Qrr损耗使得MOSFET在许多运用中变得不切实际。
1. 比较GaN代替品，MOSFET的反向恢复电荷（Qrr）损耗在较高频率下要大得多。
比较之下，GaN具有零反向恢复和零Qrr损耗，使GaN FET成为硬切换运用的抱负挑选，如稍后的示例所示。
驱动GaN
不论所用的GaN类型怎么，栅极驱动规划关于完成最佳的全体功能至关重要。一个糟糕的栅极驱动规划的一个很好的类比是在一级方程式赛车上运用街胎。
在规划栅级驱动器时，请注意以下几个要害参数：
• 偏置电压：重要的是将栅极偏置为最佳电压以取得最佳的开关功能，一起维护栅极免受潜在的过压情况。偏置电平随类型和GaN制作工艺而异，需求相应设置。具有钳位或过压维护电路也极端要害。
• 环路电感：因为GaN的高压摆率和开关频率，规划中的任何寄生电感都会在体系中引进损耗和振铃。许多电感源存在于GaN FET和驱动器封装中的引线和内部接合线以及印刷电路板（PCB）迹线的规划中。尽管可将其削减，但很难消除它们。比如LMG3410的GaN功率级解决计划将驱动器和GaN FET集成到单个封装中，明显下降了全体电感。
• 传达推迟：短传达推迟和杰出匹配（针对半桥拓扑）关于高频操作十分重要。 25 ns的传达推迟和1到2 ns的匹配是高频（1 MHz或更高）规划的一个很好的起点。
2. 如经过优化的驱动器规划的GaN开关波形所证明的，GaN能够十分高速的转化速率作业，并且使交流节点上的振铃最小。
经过最佳的栅极驱动规划和PCB布局，您能够十分高的转化速率（》 100 V / ns）运转GaN，使交流节点上的振铃最小。图2所示为这种规划的开关波形的示例。
规划实例：下一代PFC解决计划
因为其共同的特性，GaN协助电源规划人员克服了不同体系和运用中功率密度方面最困难的应战。这些长处不是来自于在现有规划中简略地将MOSFET替换为等效GaN。GaN使得曾经不或许运用硅MOSFET完成的新电路拓扑结构和/或作业形式变为实际。明显的优势导致新一代的产品尺度更小、功率更高。咱们来看一个这样的示例。
功耗因数校对（PFC）在耗费大于75W的每个电气或电子产品中是强制性的。PFC是坐落电源和体系其余部分之间的第一个电源转化模块，并在任何给定的作业点承载整个负载。因而，它直接影响整个体系的巨细和功率。
已规划出不同拓扑的一代产品，旨在减小尺度，一起满意职业标准的功率。例如，在80 Plus中界说的功率水平关于钛级电源需求96％的功率。
3. 双桥PFC拓扑一般用于许多大功率规划。
许多大功率体系（> 1 kW）选用双桥拓扑结构（图3）。跟着碳化硅（SiC）二极管和最新一代的超结MOSFET晶体管的引进，咱们现已看到曩昔十年中功率密度方面的改善。但是，这些改善已到达功率和功率密度的阻滞期。
功率密度的明显添加需求一种代替办法：
• 电源开关的数量
• 滤波电感的数量
• 电感器的尺度
• 散热片和冷却元件的尺度
一种代替计划是接连导通形式图腾柱拓扑。这种拓扑结构充分运用了GaN的一切要害特性，终究导致尺度更小、作业频率更高的规划（图4）。GaN的零反向恢复关于完成该拓扑特别重要。
4. 图腾柱PFC拓扑结构在下降作业频率的一起下降规划尺度，充分运用了GaN的零反向恢复。
表3总结了这种无桥PFC规划的几个首要长处，并做了进一步论述：
• 电源开关：与双桥拓扑比较，图腾柱PFC代替了两个超结MOSFET和两个仅具有两个GaN器材的SiC二极管。
• 滤波电感器：该拓扑结构消除了功率级中的一个巨大的滤波电感。电感器的去除及功率开关数量的削减也进步了全体体系的可靠性。
• 尺度：因为GaN在高得多的开关频率（一般为40至60 kHz条件下的MOSFET的四倍）条件下作业，您可运用较小的滤波电感。此外，GaN的较低开关损耗使得规划人员能够在功率级中明显缩小散热片的尺度。
• 功率：精心规划的图腾柱PFC的高功率达99％以上。为了阐明这一点，在整个PFC阶段，1 kW的功耗耗费不到10W。
• 本钱：因为其现有制作本钱，GaN器材的溢价将更高。但是，鉴于此处节约的本钱，体系总本钱应与现有的MOSFET规划适当。
现代图腾柱规划还运用数字功率操控器进一步进步功率，总谐波失真和其他要害规划参数。数字操控器（如C2000和UCD3138）能够智能地操控功率级操作，实时优化功率，并呼应线路和负载条件。
定论
咱们见证了需求更高功率的比如云核算、5G电信基础设施、风电和太阳能电站及电动和混合动力轿车等职业的日益增长的需求。跟着硅MOSFET到达阻滞期，规划人员正在探究宽带隙技能，如GaN的下一个规划。
如PFC示例所示，GaN不只进步了功率，并且将电源的尺度大大下降了30%至50%。您能够在阻隔或非阻隔的dc-dc转化器、逆变器和其它电源转化子体系中运用GaN，以明显下降功耗、部件数量、分量和尺度。
