氮化鎵（GaN）作為半導(dǎo)體第三代材料，近年來(lái)高頻進(jìn)入業(yè)界視野。各大IC廠商先后涉足氮化鎵領(lǐng)域，源由氮化鎵的寬禁帶、高擊穿電壓、大熱導(dǎo)率等特性，確立了其在制備寬波譜、高功率、高效率的微電子、電力電子、光電子等器件方面的領(lǐng)先地位，GaN器件正在向各應(yīng)用領(lǐng)域滲透著。以電源管理為例，隨著新應(yīng)用對(duì)高壓和高性能的要求逐步提升，氮化鎵（GaN）備受關(guān)注，其可提供超越于傳統(tǒng)硅MOSFET的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更高效率、更低溫度和更小的尺寸，被業(yè)界一致認(rèn)為是功率變換領(lǐng)域的未來(lái)。

近日深耕于高壓集成電路高能效功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的知名公司Power Integrations發(fā)布了其InnoSwitch?3系列恒壓/恒流離線反激式開(kāi)關(guān)電源IC的新成員--基于氮化鎵的InnoSwitch3 AC-DC變換器IC，可滿載情況下實(shí)現(xiàn)95%的高效率，并且在密閉適配器內(nèi)不使用散熱片的情況下可提供100 W的功率輸出。

PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光先生在發(fā)布會(huì)上表示，基于GaN的InnoSwitch3系列器件可提供更大功率、更高的效率以及更具可靠性。適用于對(duì)尺寸和效率有較高要求的應(yīng)用，如移動(dòng)設(shè)備、機(jī)頂盒、顯示器、家電、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和游戲機(jī)的USB-PD和大電流充電器/適配器等等。

PowiGaN集成到IC內(nèi)部更具實(shí)用性

PI把這種基于GaN的開(kāi)關(guān)技術(shù)稱(chēng)為PowiGaN，。隨后閻先生告訴記者，其實(shí)設(shè)計(jì)一款可靠安全的GaN開(kāi)關(guān)相對(duì)有一定的難度，但PI將PowiGaN集成到IC內(nèi)部，大大的增加了IC的可靠性，為開(kāi)關(guān)工作提供安全的保護(hù)。工程師可以看到明顯的性能提升，但GaN開(kāi)關(guān)與基于硅的MOSFET開(kāi)關(guān)在電源工作方式上沒(méi)有任何區(qū)別。簡(jiǎn)單的反激式電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、無(wú)論是采用硅晶體管還是采用PowiGaN開(kāi)關(guān)的InnoSwitch3 IC均使用相同的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)流程、相同的開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)波形也極為相似、無(wú)異常的電路特性表現(xiàn)及增加特別的設(shè)計(jì)考量，只需根據(jù)輸出功率的不同選取相應(yīng)的外部電路元件。保證了新的產(chǎn)品與傳統(tǒng)InnoSwitch3使用一致性、連貫性，可以說(shuō)PI這家公司讓GaN變的更具實(shí)用性。

PowiGaN可提供更高效率、更大的輸出功率

準(zhǔn)諧振模式的InnoSwitch3系列IC在一個(gè)表面貼裝封裝內(nèi)集成了初級(jí)電路、次級(jí)電路和反饋電路。新發(fā)布的基于GaN的InnoSwitch3產(chǎn)品中，將初級(jí)的常規(guī)高壓硅晶體管替換成氮化鎵（GaN），可以降低電流流動(dòng)期間的傳導(dǎo)損耗，并極大降低工作時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。最終有助于大幅降低電源的能耗，從而提高效率，使體積更小的InSOP-24D封裝提供更大的輸出功率。

當(dāng)然市場(chǎng)上有些聲音表示，他們可以利用這個(gè)開(kāi)關(guān)損耗的降低，將開(kāi)關(guān)頻率做的更高，甚至有些廠商做到了300K，以便將變壓器、電源的體積變的更小，但隨之而來(lái)的劣勢(shì)就是EMI電磁干擾不容易通過(guò)，這樣一來(lái)還需加許多額外的器件來(lái)滿足電磁測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)要求，反而使得電源的體積變的更大，因此閻先生說(shuō)GAN開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)利用要在一個(gè)合理的頻率范圍內(nèi)，即頻率不要高到影響了EMI，目前PI 的InnoSwitch 3沿用了原來(lái)基于硅開(kāi)關(guān)的100KHZ的開(kāi)關(guān)頻率。

GAN開(kāi)關(guān)增加了InnoSwitch 3的效率和輸出功率

上圖中，藍(lán)色條形是基于硅的MOSFET管，我們可以看到隨著功率的增大，導(dǎo)通電阻是逐漸降低的；右側(cè)紅色所示為PowiGaN技術(shù)的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻特性，由于其優(yōu)異的開(kāi)關(guān)特性因而可以保證在具有前級(jí)功率因數(shù)校正電路的情況下將功率做到120W，遠(yuǎn)大于硅芯片的輸出功率。

同時(shí)GaN開(kāi)關(guān)將功率提升后耐壓也隨之更高了，可以達(dá)到750V，意味著安全性更高。

GaN開(kāi)關(guān)極大的降低了損耗

MOSFET的輸出電容在其開(kāi)通時(shí)通過(guò)本身進(jìn)行放電，每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，輸出電容都會(huì)有充電、放電的過(guò)程，寄生電容的大小與MOSFET的大小成比例，而更大的MOSFET意味著更多的開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)導(dǎo)通損耗會(huì)隨著管子大小的增大而減小。那如何來(lái)避免呢？閻先生講到，PI的GaN開(kāi)關(guān)，輸出電容非常小，幾乎可以忽略不計(jì) ，開(kāi)關(guān)損耗非常低，因此總體損耗相對(duì)于MOSFET會(huì)更低。同時(shí)可以把效率提升更高，見(jiàn)下圖GaN技術(shù)功率損耗（紅色）與傳統(tǒng)MOSFET的功率損耗（灰色）對(duì)比。

PI已發(fā)布多款PowiGaN的參考設(shè)計(jì)

基于PowiGaN的InnoSwitch 3設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)95%的滿載效率，在適配器設(shè)計(jì)中可省去散熱片，PI65W20V的DER-747適配器，滿載效率在230VAC下為95%，在115VAC下為94%。PowiGaN的高效還可提高60W USB PD電源在各種負(fù)載下的性能。

總結(jié)起來(lái)，PowiGaN器件可提供更大的功率，其導(dǎo)通電阻更小，開(kāi)關(guān)損耗更低；

與傳統(tǒng)的InnoSwitch 3硅晶體管的工作方式無(wú)明顯區(qū)別；生產(chǎn)工藝由PI開(kāi)發(fā)和維護(hù)，與已經(jīng)擁有的合作伙伴協(xié)同工作；具有業(yè)內(nèi)先進(jìn)的GaN認(rèn)證過(guò)程。

PowiGaN技術(shù)擴(kuò)展到LYTSwitch-6系列產(chǎn)品

除此之外，PI還將PowiGaN擴(kuò)展到LED照明應(yīng)用領(lǐng)域，同樣可實(shí)現(xiàn)更高的效率和功率。非常適合于有體積效率有要求的應(yīng)用場(chǎng)合，如：高度具有要求的天花LED燈具驅(qū)動(dòng)、高低艙頂燈燈具、LED路燈驅(qū)動(dòng)、工業(yè)用12V或24V恒壓輸出等應(yīng)用。

目前PI在其LYTSwitch-6系列的兩個(gè)器件里采用了PowiGaN技術(shù)?；仡櫱耙淮诠杈w管的LYTSwitch-6系列產(chǎn)品，閻先生表示，該系列在高達(dá)65W的應(yīng)用中已表現(xiàn)的非常出色，而采用PowiGaN開(kāi)關(guān)后，可通過(guò)簡(jiǎn)單靈活的反激拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)高達(dá)110 W輸出功率和94%轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)實(shí)例-使用HiperPFS-4 和內(nèi)部集成PowiGaN開(kāi)關(guān)的LYTSwitch-6實(shí)現(xiàn)的兩級(jí)照明鎮(zhèn)流器應(yīng)用以上原理圖所示， 我們可看到該設(shè)計(jì)有兩級(jí)構(gòu)成，前面一級(jí)使用的是來(lái)自PI的功率因數(shù)校正IC-HiperPFS-4，而升壓二極管也是采用該公司的Qspeed系列二極管，HiperPFS-4除了功率因數(shù)校正之外，可以保證母線電壓永遠(yuǎn)都保持400V，使后面DC/DC部分可以輸出更高的功率。使用HiperPFS-4的升壓PFC ，230V時(shí)的PF可以達(dá)0.99，THD小于10%，而反激式的DC/DC變換級(jí)則由初級(jí)側(cè)使用PowiGaN開(kāi)關(guān)的LYTSwitch-6來(lái)實(shí)現(xiàn)。大功率密度的LYTSwitch-6設(shè)計(jì)可減小LED驅(qū)動(dòng)器的高度和重量，這對(duì)于空間受限且密閉的鎮(zhèn)流器應(yīng)用而言至關(guān)重要。

上圖是基于PowiGaN開(kāi)關(guān)的參考設(shè)計(jì)板DER-801，100W輸出功率，滿載效率在277VAC下為90.5%。

GaN屬于新興產(chǎn)業(yè)，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈還處于發(fā)展初期，顯然眾多IC廠商躍躍欲試，但PI這家公司基于原有的功率技術(shù)和產(chǎn)業(yè)功底，新產(chǎn)品已相對(duì)成熟，并得到客戶的認(rèn)可，多家客戶已利用其技術(shù)投入眾多產(chǎn)品生產(chǎn)。InnoSwitch3已成為離線開(kāi)關(guān)電源IC市場(chǎng)當(dāng)之無(wú)愧的技術(shù)先行者，隨著反激式產(chǎn)品在效率和功率能力的提高，新的氮化鎵IC將進(jìn)一步鞏固PI在市場(chǎng)上的優(yōu)勢(shì)地位。