硅基功率开关的转型之路：GaN开关的机遇与挑战
来源：亚德诺半导体
发布时间：2025-05-09
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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。
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。
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。
图1. 专用GaN控制器有助于实现稳健且密集的电源电路
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。
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
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。
图3. LTspice，一款实用的GaN电源仿真工具
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。
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