如何在開關模式電源中運用氮化鎵技術

引言

氮化鎵(GaN)是一種III-V族半導體，為開關電模式電源(SMPS)提供了出眾的性能。GaN技術具有高介電強度、低開關損耗、高功率密度等特點，因此日益受到歡迎。

如今，市面上有眾多基于GaN技術的開關可供選擇。然而，與傳統的MOSFET相比，由于需要采用不同的驅動方式，這些開關的應用在一定程度上受到了限制。

圖1 SMPS中電源開關的驅動

圖1展示了開關模式降壓轉換器（降壓技術）中常用的半橋配置功率級。在此配置中使用GaN開關時，必須考慮到，與硅基開關相比，GaN開關的最大柵極電壓耐受值通常較比較低。因此，在驅動過程中嚴格遵守最大柵極電壓限制至關重要。

此外，連接高側與低側開關的開關節點會發生快速切換，這一現象不容忽視。這種快速切換不應導致GaN開關意外導通，而這種失效模式對于傳統硅基開關來說并不常見。要緩解這一問題，可以為上升沿和下降沿設置獨立的柵極控制線。

再者，在橋式拓撲結構中，GaN開關在死區時間內的線路損耗會增加。因此，在橋式應用場景中使用GaN 開關時，必須盡可能縮短死區時間，從而實現理想的性能表現。

圖2 LT8418，一款用于GaN開關的100V半橋驅動器

為了有效滿足GaN開關的特定控制需求，建議使用諸如LT8418之類的專用GaN驅動器IC。圖2展示了這款驅動器在降壓式開關穩壓器中的應用。LT8418 GaN橋式驅動器性能出色，柵極充電時驅動強度可達4A，關斷期間柵極放電強度更是高達8A。憑借獨立的充放電控制線，可靈活調整上升與下降時間，保障電路穩定可靠運行。

在輸入電壓為48 V、輸出電壓為12 V、負載電流為12 A的情況下，圖2中的電路實現了約97%的轉換效率。值得注意的是，這一轉換效率是在1 MHz的開關頻率下達成的。

當構建使用GaN開關的功率級時，必須仔細優化電路板布局。快速的開關邊沿與寄生電感相互作用，可能會產生不良的高電磁輻射。為了盡可能減少這些寄生電感，緊湊的電路設計不可或缺。正因如此，LT8418橋式驅動器采用了緊湊的晶圓級芯片尺寸封裝(WLCSP)，其尺寸僅為1.7mm×1.7mm。

要想快速、高效地體驗GaN開關的控制過程，強烈推薦使用免費的仿真環境LTspice。LTspice不僅包含LT8418 GaN驅動器的全面仿真模型，還配備了完整的外部電路。圖3展示了用于在LTspice中進行評估的LT8418原理圖。

圖3 在LTspice仿真環境中評估采用GaN電源開關的SMPS

結論

GaN開關已從小眾產品發展成為電力電子領域的關鍵角色。憑借在效率與功率密度方面的顯著優勢，GaN開關在電壓轉換、電機驅動、D類音頻放大器等多種應用場景中展現出強大吸引力。隨著LT8418等優化驅動模塊相繼問世，控制這項新的電路技術已變得既簡單又可靠。因此，GaN開關為電力電子技術的發展帶來了巨大潛力。

作者簡介

Frederik Dostal是一名擁有20多年行業經驗的電源管理專家。他曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現場應用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，進而積累了不少經驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應用工程師，負責開關電源產品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個產品線和歐洲技術支持職位，具備廣泛的設計和應用知識，目前擔任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。