开关模式电源开始采用GaN开关

作者：Frederik Dostal，电源管理专家

摘要

在开关模式电源中使用GaN开关是一种相对较新的技术。这种技术有望提供更高效率、更高功率密度的电源。本文讨论了该技术的准备情况，提到了所面临的挑战，并展望了GaN作为硅的替代方案在开关模式电源中的未来前景。

如今，电源管理设计工程师常常会问道：

现在应该从硅基功率开关转向GaN开关了吗？

氮化镓(GaN)技术相比传统硅基MOSFET有许多优势。GaN是宽带隙半导体，可以让功率开关在高温下工作并实现高功率密度。这种材料的击穿电压较高，可适用于100 V以上的应用。而对于100 V以下的各种电源设计，GaN的高功率密度和快速开关特性也能带来诸多优势，比如进一步提高功率转换效率等。

挑战

用GaN器件替代硅基MOSFET时，肯定会遇到一些挑战。首先，GaN开关的栅极电压额定值通常较低，所以必须严格限制驱动器级的最大电压，以免损坏GaN器件。

其次，必须关注电源开关节点处的快速电压变化(dv/dt)，这有可能导致底部开关误导通。为了解决此问题，需布置单独的上拉和下拉引脚，并精心设计印刷电路板布局。

最后，GaN FET在死区时间的导通损耗较高，所以需要尽可能缩短死区时间，与此同时，还必须注意高端和低端开关的导通时间不能重叠，以避免接地短路。

图1.专用GaN控制器有助于实现稳健且密集的电源电路

图2.专用GaN驱动器根据来自传统硅基MOSFET控制器的逻辑PWM信号控制功率级

图3.LTspice，一款实用的GaN电源仿真工具

如何入门

GaN在电源设计领域有着广阔的发展前景，但如何开始相关设计，是许多企业的烦恼。比较简单的方法是选用相关的开关模式电源控制器IC，例如ADI公司的单相降压GaN控制器LTC7891。选择专用GaN控制器可以简化GaN电源设计，增强其稳健性。前面提到的所有挑战都可以通过GaN控制器来解决。如图1所示，采用GaN FET和LTC7891等专用GaN控制器，将大大简化降压电源设计。

使用任意控制器IC

若希望通过改造现有的电源及其控制器IC来控制基于GaN的电源，那么GaN驱动器将会很有帮助，可负责解决GaN带来的挑战，实现简单而稳健的设计。图2为采用LT8418驱动器IC实现的降压稳压器功率级。

迈出第一步

选定合适的硬件、控制器IC和GaN开关之后，可通过详细的电路仿真来快速获得初步评估结果。ADI公司的LTspice^®提供完整的电路模型，可免费用于仿真。这是学习使用GaN开关的一种便捷方法。图3为LTC7890（LTC7891的双通道版本）的仿真原理图。

结论

GaN技术在开关模式电源领域已经取得了许多成果，可用于许多电源应用。未来，GaN开关技术仍将持续迭代更新，进一步探索应用前景。ADI公司现有的GaN开关模式电源控制器和驱动器灵活且可靠，能够兼容当前及今后由不同供应商研发的GaN FET。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2024财年收入超过90亿美元，全球员工约2.4万人。ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。

作者简介

Frederik Dostal是一名拥有20多年行业经验的电源管理专家。他曾就读于德国埃尔兰根大学微电子学专业，并于2001年加入National Semiconductor公司，担任现场应用工程师，帮助客户在项目中实施电源管理解决方案，进而积累了不少经验。在此期间，他还在美国亚利桑那州凤凰城工作了4年，担任应用工程师，负责开关模式电源产品。他于2009年加入ADI公司，先后担任多个产品线和欧洲技术支持职位，具备广泛的设计和应用知识，目前担任电源管理专家。Frederik在ADI的德国慕尼黑分公司工作。