氮化镓（GaN）是一种宽带隙（WBG）半导体材料，像硅一样，GaN可用于制造半导体器件，例如二极管和晶体管。作为晶体管，GaN在关键领域显示出超过硅的显着优势，这使电源制造商能够显着提高效率，同时减小其器件的尺寸和重量。如今GaN晶体管的发展已引起电力电子行业的关注，以在未来替代硅晶体管。
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，晶体管的损耗通常分为两类：传导和切换，传导损耗是由晶体管导通时电流流动引起的损耗，而开关损耗在导通和截止状态之间的转换中发生。
第一类情况下，导通时，GaN晶体管（如由硅制成的晶体管）类似于漏极和源极之间的电阻，通常称为Ron，并且导通损耗与该电阻成比例。GaN和其他WBG材料的主要优点是击穿电压与Ron之间的关系。图1显示了另一种WBG材料硅、GaN和碳化硅（SiC）的这种关系的理论极限。可以看出，对于给定的击穿电压，WBG器件的Ron远低于硅的Ron，而GaN是三者中最低的。随着硅接近其理论极限，如果要继续改善Ron，则必须使用GaN和其他WBG材料。
图1：Si、GaN和SiC晶体管的Ron与击穿电压的理论极限
另一种情况下，除了改善传导损耗外，使用GaN还可以降低开关损耗。造成开关损耗的因素有很多，其中一些因素通过使用GaN得以改善。一种减少开关损耗机制的方法是：由于晶体管中的电流在漏极-源极电压开始下降之前就已经开始流动，在此期间，损耗（等于伏安乘积）非常大，提高开关接通速度将减少在此过渡期间产生的损耗，由于GaN晶体管的导通速度比硅晶体管快，因此它们能够减少这种过渡所造成的损耗。
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存在一个时间段，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关闭，因此迫使其流过了体二极管。体二极管比将Ron效率低得多上硅晶体管的电阻，当它处于打开状态，对于GaN晶体管，没有体二极管，这将流过硅晶体管的体二极管的电流，而不是流过将Ron上的阻力，这显着减少了停滞时间内的损失。
由于硅晶体管的体二极管在空载时间内导通，因此在另一个开关导通时必须将其关闭。在这段时间内，电流随着二极管的关断而反向流动，从而造成额外的损耗。在GaN晶体管中，不存在体二极管会导致接近零的反向恢复损耗。
GaN如何减小尺寸系数？
虽然在开关周期内的短时间内会发生开关损耗，但查看它们随时间的平均值很有用。尽管单个开关过渡期间的损耗可能很大，但是如果开关之间的时间间隔很大（意味着开关频率较低），则平均值可以保持在安全水平。由于GaN中的开关损耗较低，因此可以缩短开关之间的时间，从而提高了开关频率，增加的开关频率允许减小许多大型组件（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，两者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。这些设备的缺乏（以及前面提到的动力总成组件的缩小）都导致了电源总尺寸的大幅减小。
当前，电源制造商一直在寻找提高产品效率和功率密度的方法，多年来的许多收益来自对电源内部使用的硅开关的改进，但是，随着硅达到其物理极限，制造商不得不寻求其他方面的改进。GaN的使用（具有更低的损耗和更快的开关速度）使制造商能够克服硅的局限性，设计更小、更高效的电源，同时仍留有随着GaN的不断发展而改善的空间。
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