随着电力电子装置朝着高效、便携、轻量化的趋势发展,对功率半导体器件的要求也越来越高,而硅(Si)材料的半导体器件也基本发展到其理论极限,已经无法满足电力电子技术进一步发展的需求。在这样的大背景下,越来越多的科研工作者们开始重视以氮化镓(GaN)器件为代表的第三代宽禁带半导体。目前GaN器件的生产技术已经趋于成熟,但在其应用领域还有一些问题需要去解决。本文就GaN器件应用到开关电源领域中所遇到的问题展开分析,将GaN器件应用到开关电源中去,并实现高功率密度的要求。首先简要地介绍了GaN器件的分类以及增强型GaN晶体管(GaN HEMT)的等效模型及其结构,分析了GaN HEMT的工作原理以及开关特性,并对其进行损耗分析和开关特性仿真。由于GaN HEMT具有非常高的开关速度以及极低的导通电阻,会导致了GaN HEMT在开关过程中具有很大的电压变化率(dv/dt)和电流变化率(di/dt),引发GaN HEMT在开关过程中波形产生尖峰和振荡。其次分析了影响GaN HEMT开关速度的原因,研究了抑制GaN HEMT在开关过程中的波形尖峰和振荡的方法。通过设计合理的PCB布局,可以减小PCB板中的寄生参数,能有效地抑制GaN HEMT的开关波形尖峰以及振荡。基于GaN HEMT的特点,将其应用到机器人电源中,由于机器人内部集成度较高,对电源的功率密度有一定的要求,而基于GaN HEMT的机器人电源可以实现这一目标。电源样机采用同步整流Buck变换器,根据设计步骤设计出各个参数后,对机器人电源的硬件电路进行设计,并对其PCB布局进行优化,设计制作了一台170W机器人电源实验样机,并对样机的性能进行测试和波形分析。对基于GaN HEMT机器人电源样机的性能测试结果表明,最高效率达到95.476%,比相同电压等级的Si MOSFET制作的电源样机,效率提高了近2%。证明了GaN HEMT在高功率密度开关电源领域中具有巨大的应用价值和发展潜力。