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随着摩尔定律走向极限，要提升半导体性能只能通过发掘新材料实现，相对于 Si 晶体管，GaN 晶体管的禁带宽度更大，导热率和能量密度更高，稳定性更好，因此很多公司在十几年前就开始研发 GaN 技术，但是由于成品率很低，成本居高不下。而且对比 MOSFET 开关就会发现，GaN 开关工作于高频开关应用时其必须与控制器驱动进行良好配合，且对 PCB 的布局十分敏感，工程师想设计一个安全可靠的 GaN 开关很有挑战性。但是 PI 近期发布的 InnoSwitch 3 系列恒压 / 恒流离线反激式开关电源 IC 和 LYTSwitch-6 IC 让 GaN 的应用有了新的突破。
PI 资深技术培训经理阎金光向与非网记者介绍，“InnoSwitch3 的新 IC 可在整个负载范围内提供 95%的高效率，并且在密闭适配器内不使用散热片的情况下可提供 100 W 的功率输出。在 LYTSwitch-6 产品系列中使用 PowiGaN 开关增大了该产品的输出功率范围及击穿电压范围，如果包含前级升压 PFC，基于 PowiGaN 开关的 LYTSwitch-6 参考设计可实现 90%的系统效率。”
PI 资深技术培训经理阎金光
PowiGaN让InnoSwitch 3效率、输出功率实现“双升”
InnoSwitch 3可以达到100 W 的功率输出，实现95%的效率，PI 的专利技术 PowiGaN 技术起到了关键作用。InnoSwitch 3 系列产品以前都是基于 Si 技术研发，在 65 W 的应用中非常有效，但随着市场对更大输出功率的应用要求，PI 将 PowiGaN 技术集成到 InnoSwitch 3 中，使其输出功率从 65W 提高到 100W，可以满足更多移动快充及 PD 适配器等更高输出功率范围的应用。
InnoSwitch 3 包含三个系列：InnoSwitch3-CP、InnoSwitch3-EP 和 InnoSwitch3-Pro。其中，InnoSwitch3-CP 适合 PD 中的恒功率应用，InnoSwitch3-EP 适合家电中的敞开式应用，因其周围环境温度比较低，散热好，因而能够输出更高的输出功率；InnoSwitch3-Pro 则适用于 PD 及 PPS 应用，利用数字接口实现输出电压电流的精准控制及调节，满足可编程电源的使用需要。
在 InnoSwitch 3 系列产品中，INN3X79C 和 INN3X70C 内部集成了 GaN 开关，用于 PD 可以做到 90W，敞开式可以做到 100W。主要应用于对尺寸和效率有较高要求的应用，例如：非原装 USB PD 适配器，可以把体积做得更小，还适用于高端手机充电器和其它移动设备，笔记本适配器，电视机、服务器待机电源、视频游戏机等产品。
阎金光解释，“我们把 GaN 开关集成到 IC 内部，优势在于控制器、开关和 GaN 保护已经在 IC 内部做好，用户无法改变，消除了分立元件方案中 GaN 开关受外围元件参数变化及布局所带来的影响，因此更加可靠。GaN 开关是功率技术的未来，它并不只应用于小功率设计，将来还可以应用在更高的功率中使用，因而安全可靠是保证其能在消费类电子领域大批量应用的基础。”
保证产品使用的一致性、连贯性、易用性
虽然新型 InnoSwitch 3 产品的功率更大，效率更高，但是基于 GaN 的开关和基于 MOSFET 的开关在电源工作方式上没有区别，使用者只会感受到其带来的效率大幅提升，不会对其开关工作方式感受到有何不同，工程师在使用 GaN 开关进行设计时也和 MOSFET 基本一致。
如上图，整个电路采用简单的反激式电路拓扑结构，无论采用硅晶体管的还是采用 PowiGaN 开关的 InnoSwitch3 IC 均使用相同的开关电源设计流程，而且是相同的开关频率，根据输出功率的不同选取相应的外部电路元件即可，而开关波形也完全一样，工作时无其它异常的电路特性表现及增加特别的设计考量。
InnoSwitch3 可以做到 100K 的开关频率，有些公司可能给出更高的参数指标，阎金光特别解释，“一般开关频率越高，变压器的体积越小，电源体积越小，但是开关频率高，也同时牺牲了 GaN 开关开关损耗低的优势；再者，因频率增高会带来相应的 EMI 问题，需要加很多 EMI 滤波器件满足 EMI 测试要求，这反而对高功率密度的电源设计带来挑战。 所以电源体积大小并不完全取决于开关频率的大小，所以并不是频率越高就能充分利用 GaN 开关的优势，因此需要在合适的频率范围内使用 GaN 开关，实现效率、体积、EMI、成本的综合考量。”
PowiGaN带来更高效率和输出功率
GaN增加了InnoSwitch 3的效率和输出功率
大家知道，当功率达到一定程度，电源并不是只做一级 DC-DC 变换，前面会有 PFC 校正电路，其输出是 400V DC，所谓 PFC 就是功率因数矫正，如果电路中有 PFC 前级，则可以让 GaN 开关构成的 DC-DC 部分输出更高的输出功率。从上图可以看出，GaN 增加了 InnoSwitch 3 的效率和输出功率，GaN 的耐压可以做到 750V，能够满足更多对可靠性有更高要求的应用。
MOSFET 的输出电容在开通时通过其本身进行放电，开关损耗随着管子大小的增大而增加，导通损耗随着管子大小的增大而减少。但开关损耗的增加抵消了导通损耗的降低部分，因而对于更高功率的应用，很难通过增大 MOSFET 的方式提高效率。
针对 GaN 开关，导通损耗随着器件增大而降低，开关损耗随着器件增大很小，总之，GaN 开关损耗相对于 MOSFET 开关更低。和上图对比可见，采用 GaN 开关的开关损耗随器件尺寸的增加增量极少，因而可以大幅改善较高输出功率应用的电源效率。
基于 PowiGaN 的 InnoSwitch-3 设计可实现 95%的满载效率，在适配器设计中可省去散热片。经过测试发现，PowiGaN 的高效率还可提高 60 W USB PD 电源在各种负载下的性能，在各种负载下的高效率性能与标准 InnoSwitch3 方案一致，适合于大功率 USB-PD 应用；在 115 VAC 下的平均效率为 92.5%，在 230 VAC 下则为 93.3%。
采用 PowiGaN 技术的 InnoSwitch-3 参考方案
PowiGaN增强LYTSwitch-6的性能
除了 InnoSwitch-3 系列，PI 还将 PowiGaN 技术引入了用于照片应用的 LYTSwitch-6 系列 IC 当中，其中 LYT6079C 输出功率可以达到 100 W，LYT6070C 的输出功率可以达到 110 W，耐压达到 750V。该系列特别适合对效率有要求的应用，比如对高度有要求的天花板 LED 灯具驱动，高低舱顶灯灯具，LED 路灯驱动，以及工业用 12V 或 24V 恒压输出应用。
相对分立元器件驱动方案，需要外加电流检测电阻，而采用 PowiGaN 的方案，GaN 已经集成到 IC 内部，不需要电流检测电阻，因此总体效率并不比分立器件差。而 PI 独有的 FluxLink 初次级耦合技术可以保证在任何工作条件下同步整流的优势可以发挥到极致，因而实现更高的电源转换效率。
如上图所示，第一级绿色部分采用了 PI 公司的 HiperPFS-4 和 Qspeed 升压二极管，可以保证输出母线电压保持 400V，这样后级 DC-DC 的输入电压更高；后面黄色部门的第二级使用了集成 PowiGaN 开关的 LYTSwitch-6 实现反激变换，最后输出 48V，在 277VAC 下，两级变换的满载效率仍然可以达到 90.5%。
采用 PowiGaN 技术的 LED 驱动器设计的 LYTSwitch-6 方案
目前，PI 的 Expert 现在已经支持 PowiGaN 器件的设计，可以实时创建符合客户规格参数的自定义方案，提供在不同工作条件下、启动及过载时均可正常工作的设计方案，完整的电路原理图–包括 EMI 滤波器和散热设计指南，物料清单也允许用户根据喜好自行调整，以采用所偏好的元件。
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