在所有電力電子應用中，功率密度是關鍵指標之一，這主要由更高能效和更高開關頻率驅動。隨著基于硅的技術接近其發展極限，設計工程師現在正尋求寬禁帶技術如氮化鎵（GaN）來提供方案。

　　對于新技術而言，GaN 本質上比其將取代的技術（硅）成本低。GaN 器件與硅器件是在同一工廠用相同的制造程序生產出。因此，由于 GaN 器件小于等效硅器件，因此每個晶片可以生產更多的器件，從而降低了每個晶片的成本。

　　GaN 有許多性能優勢，包括遠高于硅的電子遷移率（3.4eV 對比 1.1eV），這使其具有比硅高 1000 倍的電子傳導效率的潛力。值得注意的是，GaN 的門極電荷（QG）較低，并且由于必須在每個開關周期內對其進行補充，因此 GaN 能夠以高達 1 MHz 的頻率工作，效率不會降低，而硅則難以達到 100 kHz 以上。此外，與硅不同，GaN 沒有體二極管，其在 AlGaN / GaN 邊界表面的 2DEG 可以沿相反方向傳導電流（稱為“第三象限”操作）。因此，GaN 沒有反向恢復電荷（QRR），使其非常適合硬開關應用。

　　圖 1：GaN 經優化實現快速開關

　　GaN 確實具有有限的雪崩能力，并且比硅更容易受到過電壓的影響，因此極其適用于漏 - 源電壓（VDS）鉗位在軌電壓的半橋拓撲。無體二極管使 GaN 成為硬開關圖騰柱功率因數校正（PFC）的很好的選擇，并且 GaN 也非常適用于零電壓開關（ZVS）應用，包括諧振 LLC 和有源鉗位反激。

　　45 W 至 65 W 功率水平的快速充電適配器將得益于基于 GaN 的有源鉗位反激，而基于 LLC 的 GaN 用于 150 W 至 300 W 的高端筆記本電腦電源適配器中，例如用于游戲的筆記本電腦。在這些應用中，使用 GaN 技術可使功率密度增加一倍，從而使適配器更小、更輕。特別地，相關的磁性元器件能夠減小尺寸。例如，電源變壓器內核的尺寸可從 RM10 減小為 RM8 的薄型或平面設計。因此，在許多應用中，功率密度增加了一倍甚至三倍，達 30 W / in3。

　　在更高功率的應用中，例如為服務器、云和電信系統供電的電源，尤其是基于圖騰柱 PFC 的電源，采用 GaN 可使能效超過 99％。這使這些系統能夠滿足最重要的（和嚴格的）能效標準，如 80+ titanium。

　　驅動 GaN 器件的方法對于保護相對敏感的柵極氧化物至關重要。在器件導通期間提供精確調節的門極驅動幅值尤為重要。實現此目的的一種方法是添加低壓降穩壓器（LDO）到現有的硅 MOSFET 門極驅動器中。但這會損害門極驅動性能，因此，最好使用驅動 GaN 的專用半橋驅動器。

　　更具體地說，硅 MOSFET 驅動器的典型傳輸延遲時間約為 100 ns，這不適合驅動速度在 500 kHz 到 1 MHz 之間的 GaN 器件。對于此類速度，理想情況下，傳輸延遲應不超過 50 ns。

　　由于電容較低，因此在 GaN 器件的漏極和源極之間有高電壓轉換率。這可能導致器件過早失效甚至發生災難性故障，尤其是在大功率應用中。為避免這種情況，必須有高的 dv / dt 抗擾度（在 100 V / ns 的范圍內）。

　　PCB 會對 GaN 設計的性能產生實質性影響，因此經常使用 RF 型布局中常用的技術。我們還建議對門極驅動器使用低電感封裝（如 PQFN）。

　　安森美半導體的 NCP51820 是業界首款半橋門極驅動器，專門設計用于 GaN 技術。它具有調節的 5.2 V 門極驅動，典型的傳輸延遲僅為 25 ns。它具有高達 200 V / ns 的 dv / dt 抗擾度，采用低電感 PQFN 封裝。

　　圖 2：NCP51820 高性能、650 V 半橋門極驅動器用于 GaN 電源開關

　　最初采用 GaN 技術并增長的將是如低功率快速充電 USB PD 電源適配器和游戲類筆記本電腦高功率適配器等應用。這主要歸因于有控制器和驅動器可支持需要高開關頻率的這些應用，從而縮短了設計周期。隨著合適的驅動器、控制器和模塊方案可用于服務器、云和電信等更高功率的應用，那么 GaN 也將被采用。