如何在開(kāi)關(guān)模式電源中運用氮化鎵技術(shù)

引言

氮化鎵(GaN)是一種III-V族半導體，為開(kāi)關(guān)電模式電源(SMPS)提供了出眾的性能。GaN技術(shù)具有高介電強度、低開(kāi)關(guān)損耗、高功率密度等特點(diǎn)，因此日益受到歡迎。

如今，市面上有眾多基于GaN技術(shù)的開(kāi)關(guān)可供選擇。然而，與傳統的MOSFET相比，由于需要采用不同的驅動(dòng)方式，這些開(kāi)關(guān)的應用在一定程度上受到了限制。

圖1 SMPS中電源開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)

圖1展示了開(kāi)關(guān)模式降壓轉換器（降壓技術(shù)）中常用的半橋配置功率級。在此配置中使用GaN開(kāi)關(guān)時(shí)，必須考慮到，與硅基開(kāi)關(guān)相比，GaN開(kāi)關(guān)的最大柵極電壓耐受值通常較比較低。因此，在驅動(dòng)過(guò)程中嚴格遵守最大柵極電壓限制至關(guān)重要。

此外，連接高側與低側開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)會(huì )發(fā)生快速切換，這一現象不容忽視。這種快速切換不應導致GaN開(kāi)關(guān)意外導通，而這種失效模式對于傳統硅基開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)并不常見(jiàn)。要緩解這一問(wèn)題，可以為上升沿和下降沿設置獨立的柵極控制線(xiàn)。

再者，在橋式拓撲結構中，GaN開(kāi)關(guān)在死區時(shí)間內的線(xiàn)路損耗會(huì )增加。因此，在橋式應用場(chǎng)景中使用GaN 開(kāi)關(guān)時(shí)，必須盡可能縮短死區時(shí)間，從而實(shí)現理想的性能表現。

圖2 LT8418，一款用于GaN開(kāi)關(guān)的100V半橋驅動(dòng)器

為了有效滿(mǎn)足GaN開(kāi)關(guān)的特定控制需求，建議使用諸如LT8418之類(lèi)的專(zhuān)用GaN驅動(dòng)器IC。圖2展示了這款驅動(dòng)器在降壓式開(kāi)關(guān)穩壓器中的應用。LT8418 GaN橋式驅動(dòng)器性能出色，柵極充電時(shí)驅動(dòng)強度可達4A，關(guān)斷期間柵極放電強度更是高達8A。憑借獨立的充放電控制線(xiàn)，可靈活調整上升與下降時(shí)間，保障電路穩定可靠運行。

在輸入電壓為48 V、輸出電壓為12 V、負載電流為12 A的情況下，圖2中的電路實(shí)現了約97%的轉換效率。值得注意的是，這一轉換效率是在1 MHz的開(kāi)關(guān)頻率下達成的。

當構建使用GaN開(kāi)關(guān)的功率級時(shí)，必須仔細優(yōu)化電路板布局?？焖俚拈_(kāi)關(guān)邊沿與寄生電感相互作用，可能會(huì )產(chǎn)生不良的高電磁輻射。為了盡可能減少這些寄生電感，緊湊的電路設計不可或缺。正因如此，LT8418橋式驅動(dòng)器采用了緊湊的晶圓級芯片尺寸封裝(WLCSP)，其尺寸僅為1.7mm×1.7mm。

要想快速、高效地體驗GaN開(kāi)關(guān)的控制過(guò)程，強烈推薦使用免費的仿真環(huán)境LTspice。LTspice不僅包含LT8418 GaN驅動(dòng)器的全面仿真模型，還配備了完整的外部電路。圖3展示了用于在LTspice中進(jìn)行評估的LT8418原理圖。

圖3 在LTspice仿真環(huán)境中評估采用GaN電源開(kāi)關(guān)的SMPS

結論

GaN開(kāi)關(guān)已從小眾產(chǎn)品發(fā)展成為電力電子領(lǐng)域的關(guān)鍵角色。憑借在效率與功率密度方面的顯著(zhù)優(yōu)勢，GaN開(kāi)關(guān)在電壓轉換、電機驅動(dòng)、D類(lèi)音頻放大器等多種應用場(chǎng)景中展現出強大吸引力。隨著(zhù)LT8418等優(yōu)化驅動(dòng)模塊相繼問(wèn)世，控制這項新的電路技術(shù)已變得既簡(jiǎn)單又可靠。因此，GaN開(kāi)關(guān)為電力電子技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了巨大潛力。

作者簡(jiǎn)介

Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經(jīng)驗的電源管理專(zhuān)家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現場(chǎng)應用工程師，幫助客戶(hù)在項目中實(shí)施電源管理解決方案，進(jìn)而積累了不少經(jīng)驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應用工程師，負責開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設計和應用知識，目前擔任電源管理專(zhuān)家。Frederik在A(yíng)DI的德國慕尼黑分公司工作。