氮化镓(GaN)半导体的物理特性与硅器件不相上下。传统的电源供应器金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅极双极晶体管(IGBT)只有在牺牲效率、外形尺寸和散热的前提下才能提高功率密度。

使用 GaN 则可以更快地处理电源电子器件并更有效地为越来越多的高压应用提供功率。GaN 更优的开关能力意味着它可以用更少的器件更有效地转换更高水平的功率，如图 1 所示。GaN 半导体能够在交流 / 直流供电应用，实现新型电源和转换系统。（例如，5G 通信电源整流器和服务器计算）GaN 不断突破新应用的界限，并开始取代汽车、工业和可再生能源市场中传统硅基电源解决方案。

图 1：硅设计与 GaN 设计的磁性元件功率密度对比

GaN FET：新的集成系统
大型数据中心、企业服务器和通信交换中心会消耗大量电能。在这些电源系统中，FET 通常与栅极驱动器分开封装，因为它们使用不同的工艺技术，并且最终会产生额外的寄生电感。

除了导致较大的形状尺寸外，这还可能限制 GaN 在高压摆率下的开关性能。另一方面，具有集成式栅极驱动器的 TI GaN FET（例如 LMG3425R030）凭借 150V/ns 的压摆率可更大程度降低寄生电感，与分立式 GaN 相比，其损耗降低了 66%，并更大程度地降低了电磁干扰。图 2 显示了具有集成式栅极驱动器的 TI GaN FET。

图 2：具有栅极驱动器和短路保护功能的 600V GaN FET 的集成

在数据中心和服务器场中，TI 的新型 GaN FET 使得拓扑结构更简单（例如图腾柱功率因数校正），从而降低了转换损耗，简化了散热设计并缩小了散热器的尺寸。与相同尺寸的 1U 机架式服务器中的硅 MOSFET 相比，这些器件可实现两倍的功率密度和 99%的效率。在考虑长期影响时，这种功率密度和效率节省变得尤为重要。例如，假设一个服务器场通过安装 GaN 器件每月提高 3%的交流 / 直流效率。如果该服务器场每天转换 30kW 的功率，那么他们每月将节省超过 27kW，约为每月 2,000 美元，每年 24,000 美元。

当 GaN FET 与限流和过热检测功能集成时，它可以防止击穿和热失控事件。此外，系统接口信号可实现自我监测功能。

可靠性是电源电子器件中的关键因素。因此，与传统的级联以及独立 GaN FET 相比，高度集成的 GaN 器件可以通过集成功能和保护功能来更有效地提高可靠性并优化高压电源的性能。

使用外部驱动器，寄生电感会导致开关损耗以及高 GaN 频率下的振铃和可靠性问题。共源电感大大增加了导通损耗。同样，在高压摆率下设计稳健过流保护电路既困难又昂贵。但是，由于 GaN 本身缺乏体二极管，因此可减少开关节点上的振铃，并消除任何反向恢复损耗。

具有保护功能的 GaN 器件
GaN 器件的结构与硅器件截然不同。尽管它们可以更迅捷地开关，但是从性能和可靠性的角度来看，仍然面临独特的难题。使用分立式 GaN 器件时，还存在设计简便性和物料清单成本之类的问题。

全新的工业 600V GaN 器件系列在 30-50mΩ功率级集成了 GaN FET、驱动器和保护功能，可为 100-10kW 的应用提供单芯片解决方案。LMG3422R030、LMG3425R030、LMG3422R050 和 LMG3425R050GaN 器件面向高功率密度和高效率应用。

与硅 MOSFET 不同，GaN 可以“类二极管”的方式在第三象限导通，并通过减小电压降尽可能减少死区时间。TI 在 LMG3425R030 和 LMG3425R050 中的理想二极管模式进一步降低了供电应用中的损耗。请阅读应用手册《使用理想二极管模式优化 GaN 性能》了解更多信息。

这些 GaN 器件已通过了 4,000 万小时的器件可靠性测试，包括加速开关测试和应用内硬开关测试。这些可靠性测试均在最大功率、电压和温度环境下的高度加速开关条件下进行。

结论
开关电源的设计人员一直在努力提高功率密度和效率。硅 MOSFET 和 IGBT 的功率密度和效率较低，碳化硅(SiC)器件的功率密度和效率更高，但成本也更高。

GaN 器件使解决方案能够获得优质超结 FET 两倍的功率密度。同样，它们促进了 80Plus Titanium 等标准认证，这些标准要求服务器和通信应用具有非常高的电源效率。

尽管 GaN 是电源电子器件领域的一项革命性技术，但仍需要仔细的工艺和材料工程。这要求构建高质量 GaN 晶体，优化电介质膜并在制造工艺中确保非常干净的界面。除此之外，必须进行熟练的测试和封装。