硅基功率開(kāi)關(guān)已經(jīng)轉向GaN開(kāi)關(guān)了嗎？

在開(kāi)關(guān)模式電源中使用GaN開(kāi)關(guān)是一種相對較新的技術(shù)。這種技術(shù)有望提供更高效率、更高功率密度的電源。本文討論了該技術(shù)的準備情況，提到了所面臨的挑戰，并展望了GaN作為硅的替代方案在開(kāi)關(guān)模式電源中的未來(lái)前景。如今，電源管理設計工程師常常會(huì )問(wèn)道：現在應該從硅基功率開(kāi)關(guān)轉向GaN開(kāi)關(guān)了嗎？

氮化鎵(GaN)技術(shù)相比傳統硅基MOSFET有許多優(yōu)勢。GaN是寬帶隙半導體，可以讓功率開(kāi)關(guān)在高溫下工作并實(shí)現高功率密度。這種材料的擊穿電壓較高，可適用于100 V以上的應用。而對于100 V以下的各種電源設計，GaN的高功率密度和快速開(kāi)關(guān)特性也能帶來(lái)諸多優(yōu)勢，比如進(jìn)一步提高功率轉換效率等。

挑戰

用GaN器件替代硅基MOSFET時(shí)，肯定會(huì )遇到一些挑戰。首先，GaN開(kāi)關(guān)的柵極電壓額定值通常較低，所以必須嚴格限制驅動(dòng)器級的最大電壓，以免損壞GaN器件。

其次，必須關(guān)注電源開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處的快速電壓變化(dv/dt)，這有可能導致底部開(kāi)關(guān)誤導通。為了解決此問(wèn)題，需布置單獨的上拉和下拉引腳，并精心設計印刷電路板布局。

最后，GaN FET在死區時(shí)間的導通損耗較高，所以需要盡可能縮短死區時(shí)間，與此同時(shí)，還必須注意高端和低端開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間不能重疊，以避免接地短路。

如何入門(mén)

GaN在電源設計領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的發(fā)展前景，但如何開(kāi)始相關(guān)設計，是許多企業(yè)的煩惱。比較簡(jiǎn)單的方法是選用相關(guān)的開(kāi)關(guān)模式電源控制器IC，例如ADI公司的單相降壓GaN控制器 LTC7891。選擇專(zhuān)用GaN控制器可以簡(jiǎn)化GaN電源設計，增強其穩健性。前面提到的所有挑戰都可以通過(guò)GaN控制器來(lái)解決。如圖1所示，采用GaN FET和LTC7891等專(zhuān)用GaN控制器，將大大簡(jiǎn)化降壓電源設計。

圖1. 專(zhuān)用GaN控制器有助于實(shí)現穩健且密集的電源電路

使用任意控制器IC

使用任意控制器IC 若希望通過(guò)改造現有的電源及其控制器IC來(lái)控制基于GaN的電源，那么GaN驅動(dòng)器將會(huì )很有幫助，可負責解決GaN帶來(lái)的挑戰，實(shí)現簡(jiǎn)單而穩健的設計。圖2為采用 LT8418驅動(dòng)器IC實(shí)現的降壓穩壓器功率級。

圖2. 專(zhuān)用GaN驅動(dòng)器根據來(lái)自傳統硅基MOSFET控制器的邏輯PWM信號控制功率級

邁出第一步

選定合適的硬件、控制器IC和GaN開(kāi)關(guān)之后，可通過(guò)詳細的電路仿真來(lái)快速獲得初步評估結果。ADI公司的 LTspice? 提供完整的電路模型，可免費用于仿真。這是學(xué)習使用GaN開(kāi)關(guān)的一種便捷方法。圖3為L(cháng)TC7890（LTC7891的雙通道版本）的仿真原理圖。

圖3. LTspice，一款實(shí)用的GaN電源仿真工具

結論

GaN技術(shù)在開(kāi)關(guān)模式電源領(lǐng)域已經(jīng)取得了許多成果，可用于許多電源應用。未來(lái)，GaN開(kāi)關(guān)技術(shù)仍將持續迭代更新，進(jìn)一步探索應用前景。ADI現有的GaN開(kāi)關(guān)模式電源控制器和驅動(dòng)器靈活且可靠，能夠兼容當前及今后由不同供應商研發(fā)的GaN FET。