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 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

LTC7891 簡介

LTC7891是一款高性能、降壓DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，通過高達(dá)100 V的輸入電壓驅(qū)動(dòng)所有N通道同步氮化鎵(GaN)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)功率級(jí)。LTC7891解決了許多使用GaN FET時(shí)通常會(huì)面臨的挑戰(zhàn)。與硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)解決方案相比，LTC7891簡化了應(yīng)用設(shè)計(jì)，無需保護(hù)二極管和其他附加外部組件。

ps.該產(chǎn)品可在ADI中國在線商城直接購買，產(chǎn)品詳情及購買請(qǐng)查看 ：https://www.analog.com/cn/products/ltc7891.html（ADI中國在線商城支持非整包購買、人民幣支付）

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)

LT8418 簡介

LT8418 是一款 100V 半橋 GaN 驅(qū)動(dòng)器，集成了頂部和底部驅(qū)動(dòng)器級(jí)、驅(qū)動(dòng)器邏輯控制和保護(hù)。它可以配置為同步半橋、全橋拓?fù)浠蚪祲?、升壓和降?升壓拓?fù)洹T8418 通過 0.6Ω 上拉電阻和 0.2Ω 下拉電阻提供強(qiáng)大的拉電流/灌電流能力。它還集成了智能集成引導(dǎo)開關(guān)，可從具有最小電壓差的 VCC 生成平衡引導(dǎo)電壓。

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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 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

LTC7890 簡介

LTC7890 是一款高性能、雙降壓型 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器控制器，通過高達(dá) 100V 的輸入電壓驅(qū)動(dòng)所有 N 通道同步氮化鎵 (GaN) 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 功率級(jí)。LTC7890 解決了許多使用 GaN FET 時(shí)通常會(huì)面臨的挑戰(zhàn)。與硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 解決方案相比，LTC7890 簡化了應(yīng)用設(shè)計(jì)，無需保護(hù)二極管和其他附加外部元件。

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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。