硅基功率開關(guān)已經(jīng)轉(zhuǎn)向GaN開關(guān)了嗎？

在開關(guān)模式電源中使用GaN開關(guān)是一種相對(duì)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(zhǔn)備情況，提到了所面臨的挑戰(zhàn)，并展望了GaN作為硅的替代方案在開關(guān)模式電源中的未來前景。如今，電源管理設(shè)計(jì)工程師常常會(huì)問道：現(xiàn)在應(yīng)該從硅基功率開關(guān)轉(zhuǎn)向GaN開關(guān)了嗎？

氮化鎵(GaN)技術(shù)相比傳統(tǒng)硅基MOSFET有許多優(yōu)勢(shì)。GaN是寬帶隙半導(dǎo)體，可以讓功率開關(guān)在高溫下工作并實(shí)現(xiàn)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(yīng)用。而對(duì)于100 V以下的各種電源設(shè)計(jì)，GaN的高功率密度和快速開關(guān)特性也能帶來諸多優(yōu)勢(shì)，比如進(jìn)一步提高功率轉(zhuǎn)換效率等。

挑戰(zhàn)

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

其次，必須關(guān)注電源開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的快速電壓變化(dv/dt)，這有可能導(dǎo)致底部開關(guān)誤導(dǎo)通。為了解決此問題，需布置單獨(dú)的上拉和下拉引腳，并精心設(shè)計(jì)印刷電路板布局。

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

如何入門

GaN在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景，但如何開始相關(guān)設(shè)計(jì)，是許多企業(yè)的煩惱。比較簡單的方法是選用相關(guān)的開關(guān)模式電源控制器IC，例如ADI公司的單相降壓GaN控制器 LTC7891。選擇專用GaN控制器可以簡化GaN電源設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其穩(wěn)健性。前面提到的所有挑戰(zhàn)都可以通過GaN控制器來解決。如圖1所示，采用GaN FET和LTC7891等專用GaN控制器，將大大簡化降壓電源設(shè)計(jì)。

圖1. 專用GaN控制器有助于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)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 若希望通過改造現(xiàn)有的電源及其控制器IC來控制基于GaN的電源，那么GaN驅(qū)動(dòng)器將會(huì)很有幫助，可負(fù)責(zé)解決GaN帶來的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)簡單而穩(wěn)健的設(shè)計(jì)。圖2為采用 LT8418驅(qū)動(dòng)器IC實(shí)現(xiàn)的降壓穩(wěn)壓器功率級(jí)。

圖2. 專用GaN驅(qū)動(dòng)器根據(jù)來自傳統(tǒng)硅基MOSFET控制器的邏輯PWM信號(hào)控制功率級(jí)

邁出第一步

選定合適的硬件、控制器IC和GaN開關(guān)之后，可通過詳細(xì)的電路仿真來快速獲得初步評(píng)估結(jié)果。ADI公司的 LTspice? 提供完整的電路模型，可免費(fèi)用于仿真。這是學(xué)習(xí)使用GaN開關(guān)的一種便捷方法。圖3為LTC7890（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(jié)論

GaN技術(shù)在開關(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(yīng)用。未來，GaN開關(guān)技術(shù)仍將持續(xù)迭代更新，進(jìn)一步探索應(yīng)用前景。ADI現(xiàn)有的GaN開關(guān)模式電源控制器和驅(qū)動(dòng)器靈活且可靠，能夠兼容當(dāng)前及今后由不同供應(yīng)商研發(fā)的GaN FET。