您已了解GaN晶體管出色的性能，您很興奮。樣品總算來到，您將它們放入板中。您打開電源，施加負載，結果……性能并沒有比以前更好。更糟糕的是，遇到了以前不存在的開關問題。這些晶體管不好。真遺憾。為何出現這種情況？有沒有可能遺漏了什么？

20多年來，硅功率MOSFET已在開關電源中占據主導地位。在這些應用中，采用以前的雙極晶體管技術還無法實現高速和降低與頻率相對的功耗。隨著時間的推移，功率MOSFET已改進，漸漸接近一個理想開關的性能。但是，如果終端應用要充分利用其優勢，還必須理解這些晶體管獨特的非理想特性。隨著功率MOSFET開關速度提升及硅技術的進步，電路設計人員已被迫對元件位置和電路板布署作出更慎重的決定，以提升能效，同時管理寄生元件以控制噪聲和干擾。

GaN晶體管代表朝理想開關發展的下一步，并在若干方面提供了飛躍的性能。元件布署和寄生元件控制帶來的挑戰如往常遵循相同的原則，不過現在更為顯著，因而提高了對電路布署的基本要求，比起支持慢速功率MOSFET的設計，現在需要的驅動和電源回路設計更加嚴格。在這方面，客戶若嘗試將GaN功率晶體管放入現有的為硅功率MOSFET設計的電路中，往往會失望，他們會遇到問題，或至少看不到所期望的性能上的提升。為了從GaN晶體管的應用獲得充分的優勢，有必要設計以它為中心的系統，而不是認為系統開關可有可無。利用GaN晶體管優勢的假設是設計人員選擇了善用其優勢的電路拓撲結構和控制方法。

GaN功率晶體管和硅功率MOSFET之間的一些關鍵差異如表1所示，表中對比了第一代GaN元件及新一代硅MOSFET。
 

從表中可看到，GaN元件有更少的柵極電荷，反向恢復電荷也大量減少。此外，與硅元件相比，輸出電容特性相對于漏-源電壓顯得更穩定，并產生出色的輸出電容電荷。這些差異導致GaN元件的不同性能。更少的柵極電荷意味著相同的驅動器IC可用更低的驅動損耗。但這些差異真的提供了顯著的優勢嗎？最好的方法是看看GaN可實現的系統優勢，而不是將晶體管加入現有的條件中。使用更低的驅動損耗，可增加開關頻率，而不增加驅動部分的功耗。增加開關頻率可讓電路使用更小的磁性元件。根據電路類型和系統要求，還有可能減小大型電容。這些變化可節省空間，實現更高功率密度。

為確保提升功率密度，還必須考慮其他方面。每一次的開關周期，能量儲存在晶體管的輸出電容，當開關導通時，必須移除輸出電容以便元件能使用低電阻運行。如果開關電路采用循環利用能量的方式工作，增加的開關頻率并不會造成多余的損耗；一般來說，晶體管輸出的開關損耗將與頻率成正比。

采用減小的系統尺寸，必須檢查熱傳導路徑，確保適當處理剩余功耗，使元件和系統溫度要求不違反工作條件。在相同功耗和更高功率密度的情況下，系統熱電阻必須相同，使元件的工作溫度與較低功率密度時相同。如果要在更小體積中具有相同的系統熱電阻，可能需要不同的設計或更多的導熱材料。

對于GaN晶體管的另一誤解是功率MOSFET帶來的特性。當功率MOSFET首次上市時，能量非常有限，過壓迫使整個系統電流在關閉狀態流過元件。工程師花了多年時間改進元件使其能承受過壓事件。然而，由于其他系統性能優勢，設計人員繼續使用功率MOSFET。類似的情況存在于當今第一代GaN功率晶體管。它們不應指望從系統分流高能量。事實上，即使采用硅功率MOSFET，數據表中的雪崩能量說明了已足以保護客戶應用的元件。這給客戶錯誤的安全感。在實際情況下，額定雪崩能量通常不反應元件在客戶使用條件下的能力。同樣，采用GaN晶體管時，必須注意要限制線路浪涌，以及其他會帶著額外能量涌入系統和引起高壓漂移的事件。然而，在這方面，當今的GaN晶體管較硅MOSFET占優勢。實際擊穿電壓遠高于額定穩態電壓，意味著元件損壞前瞬時電壓可升得很高。鑒于系統對地電容，仔細的設計不僅包括系統的瞬時浪涌抑制器，還需考慮所需能量以增加GaN晶體管漏-源電壓。

GaN晶體管的一項主要優勢是開關速度。然而，如果不從系統方面考慮利用這個性能，GaN的優勢可能無法實現。采用GaN晶體管提供的快速邊緣速率，系統設計人員可顯著增加開關頻率。雖然寄生電感總是對開關電路產生影響，但當邊緣速率和開關頻率上升，這個影響變得更加重要。更快的邊沿速率包含更多高頻諧波含量，增加作為傳導電磁干擾(EMI)或輻射EMI傳輸的風險。結合功率晶體管和外設電路，必須適當調諧傳導EMI濾波，而非錯誤地認為依賴現有設計即可。為減小輻射EMI，必須保持開關節點盡可能短而寬。

由于封裝在快速開關晶體管中的寄生電感已經證明對電源轉換能效有顯著影響，PCB布署仍很關鍵。必須充分減小電源和驅動回路內的總電感，以達到對元件開關性能的最佳控制。這些電感的示例如圖1所示。

以最小的寄生電感實現更快的開關頻率，便可修改其他元件。采用更高開關頻率時，通常可減小變壓器或電感中的磁芯尺寸，以增加系統功率密度。如果采用和更大版本相同的材料和制造方式，將降低磁性元件成本。如果仍然能滿足系統需求，系統中的電容需求也可減少，但這遠在意料之外。例如，可能有持續時間的要求，轉而需要最小的電容。

將寄生電感減至最小值并以此根據進行設計，支持更短、更易控制的開關事件，便能從終端應用的能效看到快速開關GaN晶體管的充分優勢。

GaN功率晶體管承諾支持客戶推動他們的設計超越硅的極限。系統開關不再是電源轉換的限制因素，必須考慮其他電路以實現更高能效而緊湊的設計。考慮電路布署和元件選擇很重要，以推動系統性能超越技術現狀。畢竟，GaN不是直接嵌入使用的硅的替代品，它是一種新的模型。