氮化鎵（GaN）開關技術使充電器和適配器的小型化取得了重大進展。

GaN晶體管的開關效率很高。這允許開發轉換器，該轉換器可以以比使用等效硅器件的電路更高的開關頻率工作，從而有可能減小變壓器尺寸，或者提供可以顯著提高系統效率，減少或消除散熱器需求的解決方案。

通過使用基于GaN的晶體管和IC，設計人員已經能夠提供小型充電器（通常還包含USB PD接口和快速充電協議），這些充電器可以顯著增加在給定尺寸下可以提供的電量。用于驅動世界各個角落的各種個人便攜式設備。

Power Integrations一直處于GaN革命的最前沿，為主要客戶提供批量的完整電源解決方案。本文探討了GaN器件的功能，并討論了解決該技術帶來的挑戰的策略。

GaN有多好？電源架構
的變化十年前，1立方英寸的充電器成為低功率反激式充電器的標志性足跡。該技術將尺寸范圍推到了效率極限所允許的范圍，這是當時可用的技術可以達到的最佳效果。在任何反激式設計中，功率開關都是造成功率損耗的最大原因，功率損耗是在每次開關轉換和導通期間消耗功率的。開關損耗和傳導損耗成反比。隨著開關管芯面積的增加以減小R_DS（ON）（傳導損耗），開關損耗也隨之增加。

不同的硅晶體管技術-超結，垂直和橫向-都在競爭以減少器件的總損耗。GaN通過從根本上減少開關損耗和傳導損耗，極大地提高了充電器和適配器的開關效率。圖1顯示了說明這種性能變化的技術之間的比較。GaN器件本質上是堅固的，GaN開關中不會發生常規MOSFET中出現的雪崩擊穿現象，因此使其非常適合在市電電壓較高的區域進行離線功率轉換。可能會有很大差異。

由于引入了GaN開關而引起的開關效率變化也極大地降低了熱挑戰，從而導致了充電器的進一步小型化。這些變化的摘要如圖2所示，該圖比較了傳統適配器和以前的高效適配器與Power Integrations的InnoSwitch AC-DC轉換器IC（包括使用GaN電源開關的最新系列成員）供電的適配器的性能。

GaN開關效率的階梯式變化于2018年首次出現在充電器和適配器中，并導致充電器/適配器的占位面積和體積比大大降低，與圖2中所述的體積和比例非常接近。圖3顯示了最新的GaN充電器與具有開創性的2008年設計和采用最佳可用硅開關技術的高性能設計相比，它采用了Power Integrations的PowiGaN GaN晶體管技術。

解決GaN的挑戰
GaN器件改變了功率密度的思想。最成功的電源設計利用提高的開關效率來減小轉換器的尺寸。驅動GaN器件給設計人員帶來了挑戰，在實際設計中必須克服這些挑戰。GaN器件轉換非常快。柵極和源極連接之間的寄生電容以及通常在柵極阱和漏極襯底之間看到的柵極-漏極電容（米勒電容）很小（約為幾nC），這確保了非常快的開關轉換，從而導致低開關損耗。

為了在避免錯誤觸發的同時關閉GaN器件，分立的電流檢測電路插入了一個串聯阻抗，該阻抗接近（有時在某些情況下會超過！）GaN開關的導通電阻。大電阻對于確保準確的短路檢測和保護電路的快速環路響應是必不可少的。在追求最大效率的設計中，這顯然是一個缺點。因此，工程師正在轉向集成無損電流檢測電路，該電路將SenseFET內置到GaN器件的結構中。

如果不加以調節，快速開關轉換將在電路中產生嚴重的噪聲問題。跡線電感和開關電容的組合會在開關事件期間引起高頻振鈴，從而導致電路工作中的噪聲問題。對于GaN開關，重要的是通過良好的布局和GaN集成來減小開關環路（和次級整流器環路，在變壓器中表現為“額外”泄漏電感）的尺寸，從而減小寄生電感。圖5顯示了有助于GaN開關電路振鈴的電路元件。

除了控制環路電感外，還必須考慮柵極驅動電路的尺寸，以適應功率開關的尺寸和柵極電荷特性。需要快速的柵極躍遷來減少交叉損耗（柵極電壓和電流同時躍遷），但是要降低EMI，重要的是，該變化率受柵極電阻和驅動源極/灌電流的組合限制。與所使用的GaN器件匹配。圖6比較了由適當大小的柵極驅動器驅動的GaN和Si開關的躍遷速率。

在驅動功率FET時，還需要考慮其他幾個方面，例如在啟動過程中如何控制常開GaN結構。將硅開關中的漏極電壓過高引起的擊穿和雪崩與GaN器件中更魯棒的參數移位現象進行比較；優化開關頻率并在變壓器尺寸與較小的熱限制體積之間進行權衡；可編程電源轉換以及USB PD和PPS對電路效率的限制。每一篇都是獨立的文章。

GaN器件提供了機會，可以極大地改善尺寸，外觀，甚至可以改善現代電子設備中功率轉換器件的吸引力。好處不僅限于適配器。家電應用受益于散熱片的移除，這消除了機械問題，從而減少了振動和運輸引起的故障，而計量和工業應用則開始在暴露于線路電壓波動的情況下利用GaN開關的堅固性。GaN不再是新生的。僅Power Integrations就已經在市場上取得了長足的進步，僅Power Integrations就交付了數百萬個包括GaN開關的電源IC。工程師將根據技術帶來的好處，繼續創新并提供更好的開關解決方案，前途一片光明-GaN，