创新的制造技术，例如最大限度利用硅晶圆的垂直架构，使供应商能够通过提高开关频率来改善电源性能。这反过来又允许使用更小的磁性元件和无源元件来减小电源的尺寸和重量。然而，由于硅的特性，当沟道关闭时需要时间来清除载流子，因此很难避免晶体管状态改变时产生的损耗。此外，在设计过程中，导通电阻和击穿电压之间的平衡是不可避免的。尽管
硅技术可能声称已经成熟且具有成本效益，但人们现在正将注意力转向氮化镓 (GaN) 等材料，以提高电源电路的性能。GaN 的一个关键优势是其 3.4 eV 的带隙能量，比硅的 1.1 eV 高出数倍。这一特性带来了更高的击穿电压，设计人员可以将其转化为更小的晶体管。这可以降低输出电容和栅极电容，从而将开关频率提高到兆赫兹范围。GaN
的第二个关键特性是其更高的本征载流子迁移率。氮化镓（GaN）的电子迁移率比硅高出近40%。这种高迁移率源于其组成材料界面处形成的二维电子气——这是高电子迁移率晶体管（HEMT）的固有特性，也存在于其他材料中，例如砷化镓（GaAs）。高迁移率还带来了低导通电阻，非常适合高电流应用。
与硅相比，GaN器件可以在高温下工作，而硅器件则难以做到这一点。这使得可以使用更小的散热器，从而进一步减小功率电子器件的尺寸和重量。
氮化镓器件设计注意事项：
尽管氮化镓器件的性能相比同类硅器件具有显著优势，但仍需考虑一些设计因素。快速开关虽然有利于器件尺寸和效率，但高电流变化及其所需时间，再加上寄生电感，会在印刷电路板上产生不必要的瞬态电压。这些瞬态电压会干扰器件的栅极和驱动电路，并可能产生持续振荡，必须加以抑制才能确保安全运行。设计人员可以通过板级技术来控制这些情况，例如使用低等效串联电阻的电容器等衰减元件来最大限度地降低寄生电感。
此外，对于习惯于硅MOSFET电路设计的工程师来说，某些类型的氮化镓器件的特性可能比较陌生。许多氮化镓功率晶体管通常在耗尽模式下导通，而MOSFET通常在增强模式下关断。这就需要对栅极驱动电路进行一些细微的调整，例如需要能够施加负电压来完全关断氮化镓FET。另一个需要考虑的因素是处理陡峭的输出斜率，这在半桥功率转换器的高端尤为常见。栅极驱动器必须能够很好地抑制共模瞬态干扰。
凭借市场上种类繁多的新型氮化镓（GaN）产品，英飞凌科技、耐普瑞亚和恩智浦等领先的半导体制造商正在开发解决方案，以帮助工程师克服这项新技术带来的挑战，并将氮化镓技术的优势融入到他们的设计中。
面向设计人员的集成解决方案：
克服GaN技术低寄生电感电路板设计限制的一种方法是使用集成解决方案，例如Nexperia的GAN063-650WSAQ。这款650V、50mΩ的GaN FET是一款常关型器件，它融合了Nexperia先进的低压硅MOSFET和高压GaN技术。GAN063-650WSA
适用于工业和通信应用中的电源转换器、光伏逆变器、电机驱动器和功率因数校正输入级。它将硅MOSFET和GaN技术集成在一个封装中，为设计人员带来诸多优势。将不同类型的器件封装在一起，而不是将它们单独安装在电路板上，其主要优势在于栅极驱动电路中的低寄生电感。第二个优势在于，该产品采用增强型常关器件设计，由于硅 MOSFET 为 30V 器件，可控制 650V 功率晶体管，因此可以轻松连接到传统的栅极驱动电路。最后，这些组合器件保证了在硬开关功率拓扑（例如用于功率因数校正输入级的图腾柱结构）以及采用软开关技术的拓扑中具有高瞬态抗扰度。
适用于高稳定性、高温器件的灵活性：
英飞凌凭借其在功率晶体管设计领域的丰富经验，采用多种技术为每个目标市场提供合适的解决方案。英飞凌目前提供采用 MOSFET 和绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 架构的硅器件，以及氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 器件。碳化硅是一种适用于对稳定性要求极高的高温环境的材料。IGT60R070D1
和 CoolGaN 系列其他 600V 晶体管的关键特性在于其增强型工作模式、更易于集成到电路设计中以及高速开关的优势。IGT60R070D1 的导通电阻仅为 70 mΩ，栅极电容为 5.8 nC，并具有更强大的开关性能。
为了便于在 GaN 器件上施加更高的栅极电压，英飞凌设计了 EiceDRIVER 系列集成电路。这些栅极驱动器能够实现GaN晶体管（例如IGT60R070D1）的快速开关，这得益于其对共模瞬态的增强抗扰性。除了为设计人员提供灵活的电路板器件布局外，隔离式EiceDRIVER栅极驱动器还能产生所需的负栅源电压，以确保开关瞬态期间的安全关断状态，并保护功率晶体管免受错误导通信号的干扰。集成的电气隔离意味着这些栅极驱动器IC可以为实现半桥和硬开关应用（例如用于功率因数校正的图腾柱拓扑结构）提供必要的支持。
射频供电能力：
GaN器件可实现的高开关频率使其适用于各种射频供电应用，包括工业加热、焊接和热封以及等离子体发生。NXP的GaN射频功率晶体管，例如MRF24G300HS，专为在免许可的2400–2450 MHz工业、科学和医疗（ISM）频段进行射频供电而设计。为了提供优异的散热性能，GaN晶体管采用SiC衬底，从而实现连续波或脉冲工作。在连续波条件下，该器件可产生336 W的功率输出。GaN
技术相比传统的硅MOSFET技术具有显著优势，随着更紧凑、更高效的电源的出现，GaN技术将继续支持新应用的开发。为了充分利用GaN技术，工程师可以咨询像Farnell这样拥有强大定制设计支持能力的全球电子分销商，以找到合适的器件并获得设计下一个项目所需的专业知识，并有可能开拓新市场。
摘要：
迈向节能世界的关键在于使用新型材料，例如高带隙半导体，这些材料能够实现更高的能源效率、更小的尺寸、更轻的重量、更低的总体成本，或兼具所有这些优势。尽管硅技术可能已展现出其成熟度和成本效益，但人们的目光正转向氮化镓（GaN）等材料，以期提升功率电路的性能。
英飞凌科技、耐世柏和恩智浦等领先的半导体制造商正在设计解决方案，以帮助工程师克服新技术带来的挑战，并将氮化镓技术的优势融入到他们的设计中。.
作者
