交流到直流（AC/DC）电源转换是所有电子设备供电链条的起点，其效率和体积直接决定了终端产品的性能和形态。在过去几十年中，硅基功率器件一直是这一领域的主导者。然而，随着对更高效率、更高功率密度以及更小体积需求的不断攀升，传统的硅器件逐渐触及其物理性能的极限。正是在这一关键时刻，以氮化镓和碳化硅为代表的宽禁带半导体材料横空出世，以其卓越的物理特性，正在以前所未有的速度重塑AC/DC转换器的功率密度边界。
GaN和SiC之所以能带来革命性的变化，核心在于它们相比硅材料拥有更宽的禁带宽度、更高的临界电场强度和更高的电子饱和漂移速率。这些优异的内在特性共同作用，赋予了它们三个关键的优势：更高的耐压、更低的导通电阻和极快的开关速度。
我们聚焦于氮化镓在AC/DC转换中的应用。GaN器件，特别是高电子迁移率晶体管，在高频低功率到中功率的应用中展现出独特的优势，例如用于消费电子的快速充电器、数据中心的服务器电源以及一些工业电源。GaN最突出的能力是其极高的开关频率。由于其极小的输出电容和栅极电荷，GaN器件能够以兆赫兹级别的频率进行开关操作，而这是传统硅器件无法企及的。这种高频操作带来的直接好处是无源元件尺寸的急剧缩小。在任何开关电源中，电感器和电容器的体积通常占据了整个转换器的大部分空间。这些元件的尺寸与开关频率成反比：开关频率越高，实现相同滤波和能量存储所需的电感和电容值就越小，从而可以直接减小它们的物理尺寸。通过将开关频率从传统的数十千赫兹提升到数百千赫兹甚至兆赫兹，GaN使得电源模块的体积得以大幅压缩，实现了前所未有的功率密度。此外，GaN器件的低导通电阻特性直接减少了传导损耗，而极快的开关速度显著降低了开关损耗。在AC/DC转换中，损耗的降低意味着发热量减少，从而可以简化或甚至取消笨重的散热器。散热器体积的减小，进一步贡献了整体功率密度的提升，形成良性循环。在AC/DC的核心环节——功率因数校正电路中，GaN器件能够以高频工作，使得无桥或图腾柱等先进的功率因数校正拓扑得以高效实现，进一步提高了整体转换效率。
转向碳化硅在AC/DC转换中的作用。SiC器件，主要是MOSFET和肖特基二极管，则在中高功率和高压领域表现卓越，例如电动汽车的车载充电器、大功率工业电源以及电网级转换设备。SiC的优势在于其更高的临界电场强度带来的优越耐压能力和高温稳定性。在AC/DC转换的高压侧，例如直接面对电网电压的应用中，SiC MOSFET能够承受数千伏的击穿电压，且在相同耐压等级下，其导通电阻远低于硅器件。这意味着在处理高电压时，SiC器件能够保持极低的损耗。尤其在整流和高压滤波后的直流升降压阶段，SiC的低损耗特性使其成为关键。
SiC的另一个显著优势是其出色的高温性能。SiC器件可以承受更高的结温，这使得电源系统可以在更高的环境温度下运行，或者在相同温度下承受更大的电流负载。在车载充电器等要求极度紧凑和高功率密度的应用中，SiC的耐高温特性允许设计者将散热系统的体积压缩到最小，甚至可以依赖自然冷却。
SiC二极管，特别是肖特基二极管，是高性能AC/DC转换器的另一个重要组成部分。它们拥有零反向恢复电流的特性，这极大地消除了硅快速恢复二极管在关断时产生的损耗和电磁干扰问题。在传统的硬开关电路中，二极管的反向恢复过程是重要的损耗来源。SiC肖特基二极管的引入，极大地提高了电路的整体开关效率，特别是对于提升功率因数校正环节的效率具有决定性意义。在AC/DC转换系统中，GaN和SiC并非相互排斥，而是根据电压等级和频率需求相互补充。例如，在一个两级AC/DC转换器中，高压输入端的功率因数校正级可能采用SiC器件来处理高电压和大电流，以确保高效率和可靠性；而下游的DC-DC转换级，若追求极高的开关频率以进一步减小体积，则可能采用GaN器件。这种“混合搭配”的策略，旨在结合两种宽禁带材料的最佳特性，实现系统级最优的功率密度和效率。
GaN和SiC对AC/DC电源转换的重塑是系统性的。它们通过提供比传统硅器件快数十倍的开关速度和低得多的传导损耗，使得设计者能够突破传统的频率限制，将电源模块的体积和重量大幅削减，同时将转换效率推向新的高度。这种革命性的进步，正在推动AC/DC电源从笨重的盒子转变为高度集成的、高能效的微型模块。
