氮化镓（GaN）如何实现更小更高效的电源
2020年1月7日 作者 Ron Stull - 5 分钟阅读
GaN是什么？
氮化镓(GaN)是一种宽带隙(WBG)半导体材料。GaN和硅一样，也可用于制造二极管和晶体管等半导体设备。电力电子设备行业对于开发GaN晶体管用于代替硅晶体管，表现出尤其浓厚的兴趣。GaN用作晶体管时，在各主要方面都表现出相较于硅的显著优势，能够帮助电源制造商在大幅提高效率的同时，缩小设备的尺寸和重量。
GaN如何提高效率？
功率晶体管是造成开关电源功率损耗的主要因素之一。晶体管损耗通常分为两类；传导损耗和开关损耗。传导损耗是指晶体管接通电流时引起的损耗，而开关损耗则是在开关状态之间转换时发生的损耗。
打开之后的GaN晶体管（和硅晶体管一样）就像是设在漏源之间的电阻，通常表示为Ron，传导损耗与此电阻成比例。GaN和其他WBG材料的主要优势是它们在击穿电压和Ron之间的关系。图1显示了硅、GaN和碳化硅(SiC，另外一种WBG材料)的这种关系的理论限值。可以看出，达到给定的击穿电压时，WBG设备的Ron远低于硅，GaN是三者当中最低的。由于硅即将达到理论限值，要继续提高Ron，就需要使用GaN和其他WBG材料。
除了改善传导损耗之外，使用GaN还可以减少开关损耗。多种因素都会引发开关损耗，其中有几种可以通过使用GaN加以改善。一种损耗机制是由于晶体管中的电流在漏源电压开始下降之前就开始流动，如图2所示。在此期间，损耗（等于电压电流乘积）非常大。提高开关开启的速度将降低转换期间产生的损耗。GaN晶体管可以比硅晶体管更快开启，所以能够降低这种转换造成的损耗。
GaN降低开关损耗的另一种方法是不使用体二极管。为避免发生短路情况，半桥的两个开关均断开时会出现一个时间段，称为“死区时间”。在此期间，电流继续流动，但是由于两个开关均已关闭，所以会迫使电流通过体二极管。体二极管开启后的效率比硅晶体管的Ron电阻低得多。GaN晶体管没有体二极管。原本流经硅晶体管体二极管的电流反而会流经Ron电阻。这显著降低了死区时间内产生的损耗。
由于硅晶体管的体二极管在死区时间内导通，因此必须在打开另一个开关时将其关闭。在此期间，电流会在二极管关闭后反向流动，从而增加损耗。GaN晶体管中不存在体二极管，所以反向恢复损耗接近零。
GaN如何缩小外形尺寸？
尽管在开关期间只会发生短暂的开关损耗，但是观察其长期平均值很有用处。尽管单个开关转换期间的损耗可能很大，但是如果延长两次开关的间隔时间（意味着开关频率较低），就能将平均值保持在安全水平。GaN的开关损耗较低，所以能够缩短开关时间，从而提高开关频率。开关频率提高之后即可缩小许多大型组件（例如变压器、电感器和输出电容器）的尺寸。
GaN和其他WBG器件还具有更好的导热性，并且可以承受比硅更高的温度。这两个优点都有助于减少对热管理组件（例如笨重的散热器、框架或风扇）的需求。不使用这些设备（以及前面提到的动力总成组件的缩小）能显著缩小电源的整体尺寸。
GaN桌面式电源适配器
在CUI的最新桌面式适配器系列中应用GaN，可以提高效率、缩小尺寸并减轻重量。例如，CUI的SDI200G-U桌面式适配器的增加了开关频率，使其尺寸缩小了一半以上，功率密度也从5.3W/in3提高到11.4W/in3，如下图3所示。这也导致重量减轻了32%（820g至560g）。采用适配器能够减少传导损耗和开关损耗，实现高达95%的效率。与传统的硅基电源相比，这些GaN桌面式适配器在效率、尺寸和重量方面都实现了重大改进。
结论
电源制造商一直在寻找提高产品效率和功率密度的方法。多年来的许多收获都是来自对电源内部使用的硅开关的改进。但是由于硅达到其物理限值，制造商不得不寻求其他方面的改进。使用GaN（损耗更低且开关速度更快），制造商能够克服硅的局限性，从而设计更小更高效的电源，同时仍然留出空间，以便随着GaN的继续发展实现改进。这些改进可以在CUI的最新一代GaN适配器中直接看到。
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Ron Stull
Ron Stull自2009年加入CUI以来，在模拟和数字电源以及AC-DC和DC-DC功率转换方面积累了丰富的知识和经验。他在CUI的工程团队中发挥重要作用，其职责包括应用支持、测试和验证以及设计。在从事电力工程工作之余，Ron会与他的妻子一起弹吉他、跑步和参加户外旅行，他们的目标是游遍所有美国国家公园。