完成愈加高效的电力转化是应对当时添加的人口和动力需求的一个要害技能方针。
可以有用推进这一方针达到的重要立异便是在电源运用中运用氮化镓 (GaN)。GaN是一种现已老练的半导体资料，广泛运用于LED照明，并在无线运用中发挥越来越重要的效果。现在，跟着工艺的前进和缺点率的不断下降，GaN在交直流电力转化、改动电压电平、而且以必定数量的函数保证牢靠电力供应的电子电源中的优势越来越显着。
依据GaN的开关功率晶体管可完成全新电源运用，与之前运用的硅资料 (Si) 晶体管比较，在高压下作业时，功用更高，损耗更低。GaN的高频操作特功用够在坚持高功率的一同进步功用。GaN器材运用的是一种适合于现有硅制作流程的硅上氮化镓(GaN-on-Si) 工艺。假如尺度更为细巧的GaN器材可以完成相同的电流功用，那么终究GaN晶体管就会和硅资料晶体管具有相同性价比。这将增大GaN器材关于大型工业设备到最小型手持类设备等各类体系的吸引力。由于它在这些方面的长处，GaN将首先在更高功用电源规划中占有一席之地。这些规划在作业频率和准确开关特性方面要求严厉。可是，GaN在更高效电源转化方面的开展前景必定可以满意这方面的要求。
现在，电源规划人员正在从头考虑他们规划的电路，企图寻觅能充分发挥全新GaN晶体管潜能又能防止负面影响的方法来发明电源体系。考虑这类问题时一般的思路是在现有组件中寻觅处理计划—GaN开关，Si开关驱动器，高速开关操控器，以及功率电感器、变压器和电容器等均是总体规划中的部件。出产电源产品的集成电路 (IC) 制作商假如能用一同规划的器材供给体系级处理计划，乃至在模块封装中集成多个芯片，就可以大大进步了客户的规划或许性。
德州仪器作为职业抢先的电源运用IC处理计划供货商，在供给这些类处理计划具有很大的优势。凭借其立异型制作工艺、电路和封装技能，TI不断为那些期望最大极限发挥GaN效果的规划人员供给所需器材。
GaN在电源链中的方位
大多数常见的电子设备由开关形式电源 (SMPS) 供电运转，这些电源将交流电高效地转化为直流电（AC到DC），而且将110-120V或许220-240V的分级线电压降压至12V，5V，3.3V，以及体系组件需求的更低电压。这些功用一般用于消费类电子设备和数据中心，可是SMPS也被用于DC至DC转化，而且用于生成可再生动力逆变器中的更高电压电平，以及轿车电子设备，工业设备和其它类型的高功率体系。
图1显现的是一个一般SMPS的流程图。一个输入电压，一般为高压低频交流电，被整流为直流电。线路滤波器用于阻断电源中逐渐构成的高频率，阻挠其传送回源线路。一个高频电源开关—SMPS的中心—将DC信号转化为一个脉冲电压波形。开关的输出被转化为所需的电压，并被过滤为低压体系所要求的安稳输出电平。操控器用输出反应供给脉宽调制 (PWM) 信号给电源开关驱动器，然后供给稳压功用。信号的脉宽随负载要求的改变而添加或削减。
图1.开关形式电源的一般功用。
一直以来电源开关都是硅资料MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）所制，可是现在正被GaN FET所代替。
依据体系要求的不同，可运用许多种不同的规划拓扑结构，对电源开关的组织也将有所不同，从单FET升压转化器，包括两个FET的规划，最多到四个FET的全桥转化器。此开关和其转化器构成了一个十分活络的规划区域，它们有必要在操控器的指令下准确履行相关功用。假如不能做到这一点的话，电源体系就会变得不安稳。此外，已调制电压的快速上升和下降有或许导致噪音进入反应回路，然后形成电源体系不安稳。
关于一切电网衔接的体系的一个要求便是电网内与体系外的阻隔，以便为下流设备供给安全维护。别的一个留意点则是电源转化的高频运转必定不能搅扰电网的电力传输，也不能在供电线路上生成噪声。GaN器材满意了这一阻隔要求，而且经过较高频率运转削减了电磁搅扰。这个较高频率可以削减阻隔变压器和输入滤波器的巨细。
GaN在SMPS体系中的运用优势
GaN相较于硅在电源开关方面具有的一个重要优势是其在高电压下更低的损耗。它的翻开和封闭所需电能也更少。在曩昔几年间，Si开关的功用已大幅进步，但在相同尺度和高压下，GaN供给的严重改善是Si不太或许达到的。现在，Si MOSFET关于GaN来说有相当大的本钱优势，可是跟着时刻的推移，这一本钱方面的差异将会缩小。
GaN开关器材支撑宽规模的作业电压。它们使电源规划人员可以在坚持极大规模输入和输出电压的所需频率的一同以较高频率运转，然后减小了处理计划的物理尺度。GaN最适合的运用往往是那些需求尽或许小尺度的电源处理计划。
图2显现了GaN晶体管的根本结构。正如之前所谈到的，GaN资料坐落一块Si基板上。这种规划可以使咱们在充分利用GaN的一同，也可以获得Si处理的数十年开展所带来的优势。其间一个优势便是较高的带隙电压。
图2.增强型形式GaN FET的横截面
半导体差异于其它资料的首要特性是带隙能—将资料从绝缘体变为导体所需的电压跳变。GaN供给的3.2电子伏特 (eV) 的带隙能大约是Si所能供给的带隙能的3倍。理论上，更高的带隙意味着较高温度下的更佳功用，其原因是在物质变为导电前可耐受更多的热量。往后，这一特性有或许进步轿车、工业和其它高温环境中的GaN功用。
SMPS规划中的GaN学习曲线
虽然GaN优势许多，这项技能才刚刚开端在电源规划中找到用武之地。之前LED和无线运用中的GaN让人们看到了将这项技能用于电源运用的期望。可是，要把GaN用在功率FET中从前需求严重的工艺和器材开发，而这些开发现已延缓了相关产品的开展。此外，全新FET与之前运用的Si资料器材间的不同使得IC供货商和体系规划人员不得不小心前行，逐渐处理规划难题。传统GaN器材一般处于接通或耗尽形式，而Si MOSFET是一般情况下处于封闭状况的增强形式器材。为了供给针对Si MOSFET的直接代替器材，GaN FET开关供货商或许从头规划他们的产品，使其可在在增强形式运转，或许运用别的的开关与其串联，以供给正常的封闭功用。
用GaN FET代替Si MOSFET仅仅从头规划的开端。GaN晶体管的高频处理才能要求开关驱动信号具有更大计时精度，而这些开关关于封装、互连和外部源的寄生阻抗高度灵敏。可高速开闭GaN开关的集成型硅基GaN驱动器现已推进着选用GaN的SMPS规划向前开展。老练的Si处理可完成这些十分准确的、高频可调谐驱动器的开发。
例如，TI的LM5113栅极驱动器从前被规划用来操控处于中等电压电平的高端和低端增强形式GaN电源开关。此栅极驱动器集成了优化GaN开关功用的所需组件。这一集成不光削减了电路板空间，还有助于简化规划。除了用最小推迟来完成高精度驱动计时，此器材还供给重要维护功用，以完成GaN开关的高效、准确运转。例如，自举钳位将栅源电压坚持在安全作业规模内；高电流下拉进步了dv/dt抗扰度，而且防止了低端的意外激活；独自的源/灌引脚优化了接通和封闭次数，然后完成高功率和低噪声；而快速传达推迟匹配在开关处于转化中时优化了死区时刻。
针对启用GaN的SMPS规划的体系级处理计划
经过与快速、准确电源办理操控组合在一同，GaN栅极驱动器极大地推进了启用GaN的 SMPS规划的开展。可是，栅极驱动器自身所能优化的程度有限。在驱动器和GaN开关之间，即使是最短的走线也会或许由于规划的改变发生推迟。
未来的%&&&&&%处理计划将需求操控因布局布线和无源组件的规划所导致的易变性问题，由于这对驱动器与开关的耦合很重要。由于这两类器材依据特点彻底不同的资料，未来将不太或许把它们集成在单个芯片（裸片）上。可是，集成了FET、驱动器以及为开关供给支撑的无源器材的单封装模块（图3）将会极大地削减SMPS的巨细和组件数量。物理尺度的削减也将意味着体系制作本钱的下降，以及依据GaN规划的高功率。
图3.集成GaN开关栅极驱动器模块。
下降规划复杂度与缩小处理计划尺度相同重要。一个驱动器开关模块将芯片间的衔接线减小到尽或许短的长度，然后最大极限地缩短了推迟时刻，并削减了那些使开关脉冲输出失真的寄生阻抗。一款规划杰出的模块将大大削减多芯片规划的寄生因子，其间的某些因子会削减一个数量级，乃至更多。
供给体系级处理计划的别的一个重要因素是操控器-稳压器，这款器材有必要在GaN支撑的高频率下运转，有必要实时地对输出电压的改变做出呼应。其时刻分辨率也有必要契合准确脉宽要求，以最大极限地减小死区时刻内的传导损耗。走运的是，现有的数字电源操控器可以满意这些要求，然后供给可被用于体系其它方位的额定功用和I/O功用。TI供给数字电源操控方面的全面专业常识，这些常识与公司的电源技能一同，供给针对GaN稳压和受控开关的体系级处理计划。
别的还需求针对依据GaN规划的磁性元件，由于现在磁性元件仍然在硅资料所完成的频率下作业。TI与电源制作商和GaN研究机构通力协作，不断地敦促磁性元件供货商供给这些组件，可是这项作业在很大程度上取决于商场的需求。跟着依据GaN的电源组件不断上市，而且供应量在不断的添加，磁性元件供货商将会收到客户的许多恳求，要求他们引进支撑这项技能的组件。一旦条件老练，业界就可以在许多电源运用中充分利用GaN所带来的优势。
针对未来需求的GaN立异
全球人口数量的不断添加和快速开展，对电力的需求继续添加，与此一同，环境问题也需求咱们在进步动力运用功率方面做出更大尽力。跟着咱们不断地测验满意这些需求，咱们的家乡将从这些立异中获益，协助咱们更高效地传送、转化和运用电力资源，而这些技能也将改善和进步咱们的生活品质。
GaN便是这样一种立异，经过最大极限地下降电力转化方面的功率损耗，它必将进步咱们的动力运用功率。为了应对GaN所带来的应战，TI正在充分利用其在电源产品和技能方面的抢先优势以及在研制方面的许诺，创立处理计划，来削减高频电源转化中呈现的复杂问题。这些差别化的处理计划将有助于简化规划、节约空间并削减组件数量，一同也最大极限地削减那些影响高效运转的信号推迟和杂散搅扰。
跟着具有这些运用优势的产品的呈现，SMPS开发人员将可以加速高功用体系的上市时刻。这些体系的成功运用将推进GaN进入高功率、工业级终端设备，以及低功率群众商场等全新的运用领域。体系级处理计划的模块和其它要害部件将协助咱们充分发挥GaN技能在进步电源功率方面的效果。
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