氮化鎵（GaN）作為半導體第三代材料，近年來高頻進入業(yè)界視野。各大IC廠商先后涉足氮化鎵領域，源由氮化鎵的寬禁帶、高擊穿電壓、大熱導率等特性，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先地位，GaN器件正在向各應用領域滲透著。以電源管理為例，隨著新應用對高壓和高性能的要求逐步提升，氮化鎵（GaN）備受關注，其可提供超越于傳統(tǒng)硅MOSFET的技術優(yōu)勢，實現(xiàn)更高效率、更低溫度和更小的尺寸，被業(yè)界一致認為是功率變換領域的未來。

近日深耕于高壓集成電路高能效功率轉換領域的知名公司Power Integrations發(fā)布了其InnoSwitch?3系列恒壓/恒流離線反激式開關電源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資深技術培訓經(jīng)理閻金光先生在發(fā)布會上表示，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。適用于對尺寸和效率有較高要求的應用，如移動設備、機頂盒、顯示器、家電、網(wǎng)絡設備和游戲機的USB-PD和大電流充電器/適配器等等。

PowiGaN集成到IC內(nèi)部更具實用性

PI把這種基于GaN的開關技術稱為PowiGaN，。隨后閻先生告訴記者，其實設計一款可靠安全的GaN開關相對有一定的難度，但PI將PowiGaN集成到IC內(nèi)部，大大的增加了IC的可靠性，為開關工作提供安全的保護。工程師可以看到明顯的性能提升，但GaN開關與基于硅的MOSFET開關在電源工作方式上沒有任何區(qū)別。簡單的反激式電路拓撲結構、無論是采用硅晶體管還是采用PowiGaN開關的InnoSwitch3 IC均使用相同的開關電源設計流程、相同的開關頻率、開關波形也極為相似、無異常的電路特性表現(xiàn)及增加特別的設計考量，只需根據(jù)輸出功率的不同選取相應的外部電路元件。保證了新的產(chǎn)品與傳統(tǒng)InnoSwitch3使用一致性、連貫性，可以說PI這家公司讓GaN變的更具實用性。

PowiGaN可提供更高效率、更大的輸出功率

準諧振模式的InnoSwitch3系列IC在一個表面貼裝封裝內(nèi)集成了初級電路、次級電路和反饋電路。新發(fā)布的基于GaN的InnoSwitch3產(chǎn)品中，將初級的常規(guī)高壓硅晶體管替換成氮化鎵（GaN），可以降低電流流動期間的傳導損耗，并極大降低工作時的開關損耗。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。

當然市場上有些聲音表示，他們可以利用這個開關損耗的降低，將開關頻率做的更高，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，但隨之而來的劣勢就是EMI電磁干擾不容易通過，這樣一來還需加許多額外的器件來滿足電磁測試的標準要求，反而使得電源的體積變的更大，因此閻先生說GAN開關的優(yōu)勢利用要在一個合理的頻率范圍內(nèi)，即頻率不要高到影響了EMI，目前PI 的InnoSwitch 3沿用了原來基于硅開關的100KHZ的開關頻率。

GAN開關增加了InnoSwitch 3的效率和輸出功率

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

同時GaN開關將功率提升后耐壓也隨之更高了，可以達到750V，意味著安全性更高。

GaN開關極大的降低了損耗

MOSFET的輸出電容在其開通時通過本身進行放電，每一個開關周期，輸出電容都會有充電、放電的過程，寄生電容的大小與MOSFET的大小成比例，而更大的MOSFET意味著更多的開關損耗。同時導通損耗會隨著管子大小的增大而減小。那如何來避免呢？閻先生講到，PI的GaN開關，輸出電容非常小，幾乎可以忽略不計 ，開關損耗非常低，因此總體損耗相對于MOSFET會更低。同時可以把效率提升更高，見下圖GaN技術功率損耗（紅色）與傳統(tǒng)MOSFET的功率損耗（灰色）對比。

PI已發(fā)布多款PowiGaN的參考設計

基于PowiGaN的InnoSwitch 3設計可實現(xiàn)95%的滿載效率，在適配器設計中可省去散熱片，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電源在各種負載下的性能。

總結起來，PowiGaN器件可提供更大的功率，其導通電阻更小，開關損耗更低；

與傳統(tǒng)的InnoSwitch 3硅晶體管的工作方式無明顯區(qū)別；生產(chǎn)工藝由PI開發(fā)和維護，與已經(jīng)擁有的合作伙伴協(xié)同工作；具有業(yè)內(nèi)先進的GaN認證過程。

PowiGaN技術擴展到LYTSwitch-6系列產(chǎn)品

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

目前PI在其LYTSwitch-6系列的兩個器件里采用了PowiGaN技術。回顧前一代基于硅晶體管的LYTSwitch-6系列產(chǎn)品，閻先生表示，該系列在高達65W的應用中已表現(xiàn)的非常出色，而采用PowiGaN開關后，可通過簡單靈活的反激拓撲實現(xiàn)高達110 W輸出功率和94%轉換效率的設計。

設計實例-使用HiperPFS-4 和內(nèi)部集成PowiGaN開關的LYTSwitch-6實現(xiàn)的兩級照明鎮(zhèn)流器應用以上原理圖所示， 我們可看到該設計有兩級構成，前面一級使用的是來自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時的PF可以達0.99，THD小于10%，而反激式的DC/DC變換級則由初級側使用PowiGaN開關的LYTSwitch-6來實現(xiàn)。大功率密度的LYTSwitch-6設計可減小LED驅(qū)動器的高度和重量，這對于空間受限且密閉的鎮(zhèn)流器應用而言至關重要。

上圖是基于PowiGaN開關的參考設計板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和產(chǎn)業(yè)功底，新產(chǎn)品已相對成熟，并得到客戶的認可，多家客戶已利用其技術投入眾多產(chǎn)品生產(chǎn)。InnoSwitch3已成為離線開關電源IC市場當之無愧的技術先行者，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將進一步鞏固PI在市場上的優(yōu)勢地位。