然而，晶體管狀態改變引起的損失卻難以避免，因為硅的特性導致載流子在關閉通道時需要花費一些時間來清除。因此，設計師在工藝設計中還需在導通電阻和擊穿電壓之間實現完美平衡。

盡管硅技術已然發展成熟且具備成本效益，但業界卻逐漸轉向氮化鎵 (GaN) 等材料，以期改善供電電路的性能。GaN的關鍵優勢在于其帶隙能量為3.4eV，而硅的這一指標僅為1.1eV。這一特性可實現更高擊穿電壓，能夠幫助設計人員縮小晶體管外形尺寸。它還可以提供更低的柵極電容和輸出電容，有助于將開關頻率提高到兆赫級。

GaN另一關鍵屬性是其本身固有的高載流子遷移率。GaN的電子遷移率幾乎比硅高出40%。其高遷移率源于不同元件材料之間的接口處形成的二維電子氣，這是高電子遷移率晶體管 (HEMT) 及砷化鎵 (GaAs)等其它材料的固有特性。高遷移率能夠進一步實現低導通電阻，適合大電流應用。

與硅相比，GaN器件能夠在硅器件無法承受的高溫條件下運行，這就允許使用更小尺寸的散熱器，有助于進一步減小電源電子產品的體積和重量。

GaN器件設計注意事項

盡管GaN器件與等效硅器件相比具備關鍵性能優勢，設計人員在進行GaN設計時需注意以下重要事項。快速開關能夠帶來尺寸和效能方面的優勢，然而，電流的急劇變化加上寄生電感引起的響應延時會在PCB內產生不必要的瞬態電壓。這些瞬態電壓可能會干擾器件的柵極和驅動器電路，并導致持續振蕩。這就需要采取振蕩抑制措施來確保安全運行。設計人員可以采用PCB級技術來控制這些條件，從而最小化寄生電感，并最大程度地減少緩沖組件的應用，如具有低等效串聯電阻的電容器，進而實現振蕩抑制目標。

此外，習慣于硅MOSFET電路設計的設計人員可能不太了解GaN器件的一些運行特性。許多GaN功率晶體管通常是耗盡型常開器件，而硅 MOSFET則廣泛采用增強型常關設置。這就需要對柵極驅動電路進行一些微調，例如：調整驅動來產生負電壓以完全關斷GaN FET。尤其在使用半橋高側功率轉換器時，柵極驅動器必須具備良好的共模瞬態抗擾性，以便能調整高壓擺率。

隨著各種GaN新品陸續上市，英飛凌、安世半導體及恩智浦等領先半導體制造商紛紛投入設計相關解決方案，以幫助工程師應對新技術帶來的挑戰，更順利地將GaN技術的優勢融入設計中。

使用集成解決方案為設計人員提供便利

為解決使用GaN技術進行低寄生電感PCB 設計時所面臨的布局約束，設計人員可以采用集成解決方案，如安世半導體GAN063-650WSAQ。這款650V、50mΩ的GaN FET是一種常關型器件，融合了安世半導體最先進的高壓GaN和低壓硅MOSFET技術。


Nexperia GaN063

GAN063-650WSA將GaN和硅MOSFET技術集成到單個封裝中，可為設計人員帶來諸多便利，適用于工業和通信行業的功率轉換器、光伏逆變器、電機驅動器以及功率因數校正前端。相比將同一器件的多個形態獨立布建在 PCB上，它采用的集成式封裝能夠從根本上降低柵極環路的寄生效應。其次，GAN063-650WSA是一款增強型常關器件，且其30V的硅MOSFET可控制650V 功率晶體管，因而可以輕松地接入傳統柵極驅動器電路。第三，其配套裝置可確保為硬開關功率拓撲，如功率因數校正 (PFC) 前端采用的圖騰柱配置，以及采用軟開關技術的拓撲提供較高的瞬態抗擾性。

靈活應用堅固耐用的耐高溫器件

英飛凌在功率晶體管設計方面擁有豐富經驗，并持續采用多種技術來為每個目標市場提供合適的產品。英飛凌目前既提供硅基MOSFET和絕緣柵極雙極型晶體管 (IGBT)，同時還提供GaN和碳化硅 (SiC)產品。其中，碳化硅這種材料能夠滿足惡劣環境應用對堅固性和耐高溫性的嚴苛要求。

英飛凌的600V CoolGaN系列功率晶體管，包括IGT60R070D1及器件均具有一個重要特性，即提供增強模式操作且易集成電路設計，同時還能提供超快速開關。IGT60R070D1的導通電阻僅70mΩ、柵極電容為5.8nC，且具備卓越的換向堅固性。



Infineon CoolGaN

英飛凌還推出了EiceDRIVER系列IC，以便更輕松地驅動具有較高柵極電壓的GaN 器件。由于具備更強的共模瞬態抗擾性，這些柵極驅動器能夠實現IGT60R070D1等GaN晶體管的快速開關。隔離EiceDRIVER柵極驅動器不僅能夠讓設計人員靈活地調整PCB器件布局設計，還能產生負柵源電壓來確保開關瞬變期間的安全關斷狀態，同時保護功率晶體管免受寄生導通的影響。該系列柵極驅動器IC還內置電氣隔離，能夠為硬開關半橋應用部署提供所需支持，例如PFC所需圖騰柱拓撲。

實現射頻功率傳輸

通過GaN實現的高開關頻率適用于一系列射頻功率傳輸應用，如工業加熱、焊接和熱封以及等離子體生成。恩智浦提供的MRF24G300HS等射頻GaN功率晶體管專為2400-2450Mhz的無許可工業、科學和醫療 (ISM) 頻段進行射頻功率傳輸。為了提供出色的熱性能，恩智浦的GaN晶體管采用SiC襯底，有助于確保連續波或脈沖操作。在連續波條件下，器件可提供336W的功率輸出。

與傳統硅MOSFET技術相比，GaN技術具有多項核心優勢，不僅能持續支持創新應用構建，還能提供更緊湊、更高效電源。為充分利用GaN技術，工程師們可以通過從一類具有廣泛設計支持能力的全球電子元器件分銷商來選取合適的器件，并獲得相關專業知識來推動未來項目設計及潛在新市場開發。