GaN技术:颠覆传统硅基,引领科技新纪元

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。

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 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

LTC7891 简介

LTC7891是一款高性能、降压DC/DC开关稳压器控制器，通过高达100 V的输入电压驱动所有N通道同步氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)功率级。LTC7891解决了许多使用GaN FET时通常会面临的挑战。与硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)解决方案相比，LTC7891简化了应用设计，无需保护二极管和其他附加外部组件。

ps.该产品可在ADI中国在线商城直接购买，产品详情及购买请查看 ：https://www.analog.com/cn/products/ltc7891.html（ADI中国在线商城支持非整包购买、人民币支付）

使用任意控制器 IC

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

LT8418 简介

LT8418 是一款 100V 半桥 GaN 驱动器，集成了顶部和底部驱动器级、驱动器逻辑控制和保护。它可以配置为同步半桥、全桥拓扑或降压、升压和降压-升压拓扑。LT8418 通过 0.6Ω 上拉电阻和 0.2Ω 下拉电阻提供强大的拉电流/灌电流能力。它还集成了智能集成引导开关，可从具有最小电压差的 VCC 生成平衡引导电压。

查看产品详情 ：https://www.analog.com/cn/products/lt8418.html

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 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

LTC7890 简介

LTC7890 是一款高性能、双降压型 DC/DC 开关稳压器控制器，通过高达 100V 的输入电压驱动所有 N 通道同步氮化镓 (GaN) 场效应晶体管 (FET) 功率级。LTC7890 解决了许多使用 GaN FET 时通常会面临的挑战。与硅金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 解决方案相比，LTC7890 简化了应用设计，无需保护二极管和其他附加外部元件。

ps.该产品可在ADI中国在线商城直接购买，产品详情及购买请查看 ：https://www.analog.com/cn/products/ltc7890.html（ADI中国在线商城支持非整包购买、人民币支付）

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 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。