硅基功率開關已經轉向GaN開關了嗎？

在開關模式電源中使用GaN開關是一種相對較新的技術。這種技術有望提供更高效率、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關模式電源中的未來前景。如今，電源管理設計工程師常常會問道：現在應該從硅基功率開關轉向GaN開關了嗎？

氮化鎵(GaN)技術相比傳統硅基MOSFET有許多優勢。GaN是寬帶隙半導體，可以讓功率開關在高溫下工作并實現高功率密度。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關特性也能帶來諸多優勢，比如進一步提高功率轉換效率等。

挑戰

用GaN器件替代硅基MOSFET時，肯定會遇到一些挑戰。首先，GaN開關的柵極電壓額定值通常較低，所以必須嚴格限制驅動器級的最大電壓，以免損壞GaN器件。

其次，必須關注電源開關節點處的快速電壓變化(dv/dt)，這有可能導致底部開關誤導通。為了解決此問題，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在死區時間的導通損耗較高，所以需要盡可能縮短死區時間，與此同時，還必須注意高端和低端開關的導通時間不能重疊，以避免接地短路。

如何入門

GaN在電源設計領域有著廣闊的發展前景，但如何開始相關設計，是許多企業的煩惱。比較簡單的方法是選用相關的開關模式電源控制器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電源設計，增強其穩健性。前面提到的所有挑戰都可以通過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計。

圖1. 專用GaN控制器有助于實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 若希望通過改造現有的電源及其控制器IC來控制基于GaN的電源，那么GaN驅動器將會很有幫助，可負責解決GaN帶來的挑戰，實現簡單而穩健的設計。圖2為采用 LT8418驅動器IC實現的降壓穩壓器功率級。

圖2. 專用GaN驅動器根據來自傳統硅基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開關之后，可通過詳細的電路仿真來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。這是學習使用GaN開關的一種便捷方法。圖3為LTC7890（LTC7891的雙通道版本）的仿真原理圖。

圖3. LTspice，一款實用的GaN電源仿真工具

結論

GaN技術在開關模式電源領域已經取得了許多成果，可用于許多電源應用。未來，GaN開關技術仍將持續迭代更新，進一步探索應用前景。ADI現有的GaN開關模式電源控制器和驅動器靈活且可靠，能夠兼容當前及今后由不同供應商研發的GaN FET。