在電力電子應用中，人們不斷努力實現效率、緊湊性和可靠性。汽車、電信和可再生能源等行業對提高效率和功率密度的需求日益增長，氮化鎵器件成為功率轉換器設計中的革命性解決方案。本文探討了與使用 GaN 器件創建電源轉換器相關的基本原理、優點和挑戰。它闡明了GaN器件在徹底改變電力電子領域并定義其未來方面的巨大潛力。

　　氮化鎵的力量

　　GaN 是一種寬帶隙半導體材料，因其非凡的特性而引起了人們的廣泛關注，其性能比傳統的硅器件更好。GaN 器件表現出卓越的電子遷移率、導通狀態下的電阻降低以及開關速率加快。這些特性可以提高功率轉換器的效率、降低傳導損耗并最小化開關損耗。

　　GaN 器件的卓越特性使得能夠創建更小、更輕的電源轉換器。它們能夠在更高的頻率下運行而不會產生大量損耗，從而可以縮小電力電子系統的尺寸，使其非常適合空間有限的應用。

　　GaN 在開關速度方面的顯著改進使其特別有利于需要快速響應突發變化和精確調節的應用，例如電機驅動、可再生能源系統和電動汽車。此外，GaN 的大能隙允許在高溫下運行，從而提高熱效率和可靠性。這種能力在傳統硅器件在維持效率和可靠性方面可能遇到困難的挑戰性情況下尤其有利。

　　與硅功率器件相比，GaN 功率器件的一些最相關的優勢如圖

　　電源轉換器的設計挑戰

　　為了充分發揮 GaN 器件的潛力，在設計電源轉換器時必須克服各種障礙。以下是最重大的挑戰。

　　柵極驅動器

　　首先，與傳統硅器件相比，GaN 器件具有不同的柵極驅動要求。實現最佳柵極驅動設計對于最大化開關性能和最小化開關損耗至關重要。設計人員必須仔細考慮柵極電壓電平、柵極電阻和柵極驅動電路布局等因素，以確保可靠、高效的運行。GaN 場效應晶體管 (FET) 的驅動要求，無論其通常處于關閉狀態還是開啟狀態，都與硅 mosfet 的驅動要求存在顯著差異。

　　熱管理

　　與硅器件相比，GaN器件實現了更高的功率密度并且可以在更高的溫度下工作。因此，高效的熱管理對于散發運行期間產生的熱量、保持最佳的設備性能和可靠性至關重要。設計人員必須采用先進的散熱器設計、熱界面材料和熱建模技術來有效管理熱量。

　　開關頻率

　　GaN 器件能夠在更高的開關頻率下運行，從而可以實現更小的無源元件和更高的功率密度。然而，優化開關頻率需要仔細考慮開關損耗、電磁干擾和元件應力。設計人員必須在提高開關頻率以最大限度地提高效率和確保轉換器保持在安全工作限制之間取得平衡。

　　保護

　　將 GaN 器件集成到功率轉換器系統中需要考慮系統級兼容性、保護電路和電磁兼容性合規性。過流保護、過壓保護和熱關斷等穩健的保護機制對于確保 GaN 功率轉換器的可靠性和使用壽命至關重要。

　　成本

　　目前，GaN 器件的前期成本高于硅器件，這可能會阻礙其在某些應用中的廣泛采用。設計人員必須仔細評估基于 GaN 的解決方案的成本效益，并考慮性能改進、尺寸減小和長期可靠性等因素，以證明較高的初始投資是合理的。

　　商業解決方案

　　市場上有多種基于 GaN 的商用功率器件(分立式和模塊式)，適合使用 GaN 技術設計功率轉換器。

　　轉運蛋白

　　Transphorm 提供專為需要高電壓和高功率的應用而設計的 GaN 功率器件。Transphorm 的 GaN 器件采用級聯配置，據該公司稱，與目前可用的其他配置(例如 pGaN e-mode)相比，該配置具有更好的使用壽命、質量和可靠性。

　　利用高壓 GaN 技術為多個需要可靠功率轉換并提高效率和性能的行業提供了顯著的優勢。一款開放式 300W 恒流恒壓 AC/DC 電池充電器參考設計，輸出功率為 300W，采用 Transphorm 的 SuperGaN 技術。浮思特科技專注在新能源汽車、電力新能源、家用電器、觸控顯示，4大領域，為客戶提供從方案研發到產品選型采購的一站式服務，是一家擁有核心技術的電子元器件供應商和解決方案商。