GaN：一场真正的革命

在设计基于氮化镓的转换器七年后，我们可以肯定地说，从硅 MOSFET 到 GaN 晶体管的转换是一个革命性事件，其规模可与 70 年代后期的功率 MOSFET 革命相媲美，当时 Alex Lidow 发明了 HexFET并与国际整流器一起推向市场。

我们的 GaN 体验始于 2014 年夏天，当时我们参加了 Google 的 Little Box Challenge。我们知道 GaN，但担心 GaN 是否足够成熟和可用。经过一段时间的犹豫，GaN Systems 于 2014 年 12 月给我们打电话，告诉我们没有风险，Mouser 的器件稳定且有库存，我们可以指望他们的支持。这让我们信服：我们完成了设计，并被谷歌从 15 名决赛选手中选中。虽然我们没有获奖，但很高兴能够与 Schneider、Fraunhofer Institut、ETH 和 Virginia Tech 等享有盛誉的团队互动。我们向人们讲述了 Little Box 的经历，我们成为了一家 GaN 设计公司。

最初，处理这些新的 GaN 器件有点像试图驯服野生动物。测量导通电阻的简单测试设置就像无线电发射器一样。必须多次重做原理图和 PCB 布局以消除杂散电感并获得稳定、可靠、快速的栅极驱动。在我们可以说我们对GaN感到满意之前，我们搞砸了许多设备。今天，我们毫不怀疑，迁移到 GaN 曾经并且现在是将电力电子性能提升到新水平的方式。

误区：GaN 易于使用

GaN 营销材料通常是关于使用GaN 进行设计的难易程度。GaN 晶体管的某些方面确实比 MOSFET 更容易设计，例如更低的栅极电荷、没有反向恢复损耗、更线性的输出电容，以及非常快速的关断和低相关的开关损耗，使其非常适合软- 开关转换器。

GaN 营销有时会谈论如何通过用 GaN 晶体管替换 MOSFET 来改进现有设计——不要相信。这不是使革命发生的方式。这不是对 GaN 的智能使用。这既不容易，也不会带来显着的改进。更换驱动器以避免破坏非常敏感的栅极，重做布局以避免振荡，重新设计散热，调整死区时间，处理奇怪的封装——所有这些都不容易，而且可能不值得稍微增加导通电阻，特别是如果设计是一个硬开关转换器。

应用说明可以让生活更轻松，但请注意建议的一些解决方案存在缺陷或错误。一个常见的神话是栅极驱动很容易，并且周围有很多好的 GaN 驱动器解决方案。但是一些推荐的驱动器在高频下会过热，并且存在其他缺陷，使它们不可靠或无法使用。不仅如此，一些解决方案还不必要地复杂。例如，通常建议负向驱动栅极以可靠地关闭 GaN 器件，但这既没有必要也不可取。事实上，如果您注意避免栅极驱动上升沿和下降沿的过冲，您将获得可靠、快速的操作，而无需负驱动和更简单的电路。

SPICE 仿真非常有用，但为 GaN 晶体管提供的模型过于复杂且速度慢。对于每个 GaN 器件，我们发现最好使用具有所需导通电阻的简单受控开关，与等于器件 C oss的电容并联，以及具有相同导通电阻的反并联理想二极管。

现实：GaN 需要顶尖的工程技能

要体验 GaN 革命，必须以一种能够充分发挥其优势的方式使用 GaN 晶体管。这需要高水平的工程技能，包括：

提高工作频率，以缩小磁性元件的尺寸

确保在所有条件下的软切换

使用创新拓扑

使用具有亚纳秒分辨率定时器的快速 CPU 控制电路

设计特殊磁体，通常使用平面绕组和特殊磁芯形状和铁氧体

执行广泛的磁学模拟

使用射频技术和低电感路径布置 PCB

设计无过冲的合适栅极驱动器

照顾热气

当心：围绕 GaN 的生态系统几乎没有发展

由于围绕 GaN 器件所需的器件很少发展到支持 GaN，因此基于 GaN 的工程设计变得更加困难：

磁体形状尚未演变为平面设计，以允许平面绕组具有更多铜。

PCB 制造商很少对平面设计所需的特殊层积层提供帮助。

基于 GaN 的转换器没有专用的软开关控制器。

MLCC 电容还没有发展到支持兆赫兹操作（甚至电容器也有集肤效应）。

可用的栅极驱动器很少，也没有可用的低成本电平转换栅极驱动器。

这意味着必须以一种聪明的方式使用可用的组件，解决它们的弱点。

控制器：DSP 处理器是一种惰性解决方案，它允许您在浮点中工作，允许您几乎复制控制方程并让处理器处理数字，但这非常低效且速度太慢。使用具有快速乘法和移位功能的快速定点处理器以及高分辨率计时器要好得多。但请记住，像 STM32 系列这样的设备是复杂的野兽，其中仅高分辨率计时器就需要阅读一周的时间才能理解它，还要花一周的时间来弄清楚如何设置它的寄存器。使用具有相关快速电流变化的低电感值会缩短控制环路周期时间，通常在 100 kHz 范围内。直接访问外设寄存器是强制性的（忘记 HAL、CUBE 等）。避免循环饥饿的除法运算，并考虑使用快速乘法和移位运算可能会获得相同的结果。定点是你的朋友：有限的字长和不得不考虑溢出的风险会让你思考更多，编程更好。

磁学：培养平面磁学设计技能。我们通常在 3F46 铁氧体中使用 RM 磁芯，并在反向堆积中使用四层 PCB 堆叠，仅在磁芯层上使用埋入式和盲孔机械钻孔。使所有绕组全宽（每层一圈）。如果您需要使用并联绕组，请将每个绕组均匀分布在所有层上，并定期更换层，例如 PCB 版本的李兹线，否则您将获得具有巨大铜损的再循环电流。

电容器：使用高品质的 MLCC 电容器，例如 TDK 的电容器。它们往往具有最完整的阻抗规格以及在高电流和频率下的最佳行为。如果在大电流、高频路径上使用，请使用最薄的电容器并将返回路径走线放置在非常靠近附近的层上。防止高频通过大容量电解电容器。

自举二极管：高侧 GaN 驱动器需要一个用于驱动器的高压自举二极管。如果您使用 1 MHz 的“超快恢复”硅二极管，它会过热。您必须使用碳化硅肖特基二极管，但如果您想要像 SMB 这样的紧凑型封装，选择非常有限——只有一个！

栅极驱动器：这是迄今为止生态系统中最薄弱的部分，特别是对于高压 GaN。不要使用栅极驱动器来处理死区时间或交叉传导保护——时间太快了，这些事情最好由 CPU 中的高分辨率定时器来处理。此外，考虑到上升前沿和下降前沿的死区时间通常不同，因此需要不断变化——没有驱动程序具有这种能力。最佳选择是隔离式单通道驱动器，但请确保选择最简单的器件，具有适当的低欠压锁定 (<5 V)、低抖动、无死区时间控制和去毛刺。

低成本栅极驱动器：存在高压电平转换非隔离驱动器，但存在问题。例如，经常推荐的一种流行的“高速”器件在高频时的电平转换器中具有非常高的未记录功率损耗，在启动时从自举电容器汲取的高电流未记录，传播延迟中未记录的不可预测的变化，以及偶尔失去高驱动。

由于生态系统中的所有这些缺陷，一些制造商试图通过提供内置驱动器和类似的附加电路来使自己与众不同，这可能会使 GaN 设计“更容易”。但是，这些添加的电路通常针对特定电路（例如 ACF）进行优化，并且可能在新拓扑中以不希望的方式执行。此类带有内置驱动器的“简单设计”器件的数据表往往会忽略栅极电荷或栅极电容等重要信息，就好像驱动器神奇地消除了这些影响，或者不必担心它们。

所有宽带隙设备都是高性能的吗？

碳化硅呢？我们在一些项目中考虑过 SiC，但我们不喜欢大而笨重的电感封装；更高的栅极电荷；并且存在具有反向恢复损耗的体二极管。SiC 的唯一优势是更好的散热性能和更高的击穿电压，因此使其成为慢时钟牵引或可再生逆变器的首选。然而，即使对于这些应用，我们也可能会考虑使用多级 GaN 解决方案来充分利用真正的宽带隙器件。

结论

学习围绕 GaN 设计电路在功率密度和效率方面非常有益。GaN 器件一开始可能有点吓人，但最困难的不是 GaN 器件本身，而是它们周围的组件（磁性器件、无源器件、控制器和驱动器），它们几乎没有发展到促进 GaN 的采用。尽管如此，对 GaN 的坚持和经验将带来信心，并实现 MOSFET 无法想象的性能水平。

审核编辑 黄昊宇