電力電子世界在1959年取得突破，當時Dawon Kahng和Martin Atalla在貝爾實驗室發明了金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。首款商業MOSFET在五年后發布生產，從那時起，幾代MOSFET晶體管使電源設計人員實現了雙極性早期產品不可能實現的性能和密度級別。

然而，近年來，這些已取得的進步開始逐漸弱化，為下一個突破性技術創造了空間和需求。這就是氮化鎵（GaN）引人注目的地方。

作為一種寬帶隙晶體管技術，GaN正在創造一個令人興奮的機會，以實現電力電子系統達到新的性能和效率。GaN的固有優勢為工程師開啟了重新考慮功率密度的方法，這些方法在以前并不可能實現，如今能滿足世界日益增長的電力需求。在這篇文章中，我將探討如何實現。

為何選擇GaN？

當涉及功率密度時，GaN為硅MOSFET提供了幾個主要優點和優勢，包括：

•較低的RDS（on）：如表1所示，GaN的MOSFET面積為RDS（on）的一半。這直接使電路中傳導損耗降低了50％。因此，您可以在設計中使用較小的散熱器和更簡單的熱管理。

•較低的柵極和輸出電荷：GaN提供較低的柵極電荷。與MOSFET的4nC相比，典型的中壓器件具有大約1nC的柵極電荷（表2）。較低的柵極電荷使設計具有更快的導通時間和轉換速率，同時減少損耗。

類似地，GaN具有顯著較低的輸出電荷（表2），這為每個設計帶來雙重優勢。首先，開關損耗下降多達80％，結合較低的傳導損耗，對功率密度有重大和積極的影響。第二，根據拓撲和應用，設計可在更高的開關頻率運行高達10倍。這大大減少了磁性材料的尺寸以及設計的尺寸和占用空間，同時將整體效率提高了15%。

•零反向恢復：硅MOSFET在50至60 nC范圍內具有典型的反向恢復電荷，具體取決于其尺寸和特性。當MOSFET關斷時，體二極管中的反向恢復電荷（Qrr）產生損失，從而增加了總的系統開關損耗。這些損耗與開關頻率成正比。如圖1所示，較高頻率下的Qrr損耗使得MOSFET在許多應用中變得不切實際。

 1. 相比GaN替代品，MOSFET的反向恢復電荷（Qrr）損耗在較高頻率下要大得多。

相比之下，GaN具有零反向恢復和零Qrr損耗，使GaN FET成為硬切換應用的理想選擇，如稍后的示例所示。

驅動GaN

不管所用的GaN類型如何，柵極驅動設計對于實現最佳的整體性能至關重要。一個糟糕的柵極驅動設計的一個很好的類比是在一級方程式賽車上使用街胎。

在設計柵級驅動器時，請注意以下幾個關鍵參數：

•偏置電壓：重要的是將柵極偏置為最佳電壓以獲得最佳的開關性能，同時保護柵極免受潛在的過壓狀況。偏置電平隨類型和GaN制造工藝而異，需要相應設置。具有鉗位或過壓保護電路也極其關鍵。

•環路電感：由于GaN的高壓擺率和開關頻率，設計中的任何寄生電感都會在系統中引入損耗和振鈴。許多電感源存在于GaN FET和驅動器封裝中的引線和內部接合線以及印刷電路板（PCB）跡線的設計中。雖然可將其減少，但很難消除它們。諸如LMG3410的GaN功率級解決方案將驅動器和GaN FET集成到單個封裝中，顯著降低了總體電感。

•傳播延遲：短傳播延遲和良好匹配（針對半橋拓撲）對于高頻操作非常重要。 25 ns的傳播延遲和1到2 ns的匹配是高頻（1 MHz或更高）設計的一個很好的起點。

2. 如通過優化的驅動器設計的GaN開關波形所證明的，GaN可以非常高速的轉換速率工作，并且使交換節點上的振鈴最小。