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摘要
在開關模式電源中使用GaN開關是一種相對較新的技術。這種技術有望提供更高效率、更高功率密度的電源。本文討論了該技術的準備情況，提到了所面臨的挑戰，并展望了GaN作為硅的替代方案在開關模式電源中的未來前景。
如今，電源管理設計工程師常常會問道：
現在應該從硅基功率開關轉向GaN開關了嗎？
氮化鎵(GaN)技術相比傳統硅基MOSFET有許多優勢。GaN是寬帶隙半導體，可以讓功率開關在高溫下工作并實現高功率密度。這種材料的擊穿電壓較高，可適用于100 V以上的應用。而對于100 V以下的各種電源設計，GaN的高功率密度和快速開關特性也能帶來諸多優勢，比如進一步提高功率轉換效率等。
挑戰
用GaN器件替代硅基MOSFET時，肯定會遇到一些挑戰。首先，GaN開關的柵極電壓額定值通常較低，所以必須嚴格限制驅動器級的最大電壓，以免損壞GaN器件。
其次，必須關注電源開關節點處的快速電壓變化(dv/dt)，這有可能導致底部開關誤導通。為了解決此問題，需布置單獨的上拉和下拉引腳，并精心設計印刷電路板布局。
最后，GaN FET在死區時間的導通損耗較高，所以需要盡可能縮短死區時間，與此同時，還必須注意高端和低端開關的導通時間不能重疊，以避免接地短路。
圖1.專用GaN控制器有助于實現穩健且密集的電源電路
圖2.專用GaN驅動器根據來自傳統硅基MOSFET控制器的邏輯PWM信號控制功率級
圖3.LTspice，一款實用的GaN電源仿真工具
如何入門
GaN在電源設計領域有著廣闊的發展前景，但如何開始相關設計，是許多企業的煩惱。比較簡單的方法是選用相關的開關模式電源控制器IC，例如ADI公司的單相降壓GaN控制器LTC7891。選擇專用GaN控制器可以簡化GaN電源設計，增強其穩健性。前面提到的所有挑戰都可以通過GaN控制器來解決。如圖1所示，采用GaN FET和LTC7891等專用GaN控制器，將大大簡化降壓電源設計。
使用任意控制器IC
若希望通過改造現有的電源及其控制器IC來控制基于GaN的電源，那么GaN驅動器將會很有幫助，可負責解決GaN帶來的挑戰，實現簡單而穩健的設計。圖2為采用LT8418驅動器IC實現的降壓穩壓器功率級。
邁出第一步
選定合適的硬件、控制器IC和GaN開關之后，可通過詳細的電路仿真來快速獲得初步評估結果。ADI公司的LTspice®提供完整的電路模型，可免費用于仿真。這是學習使用GaN開關的一種便捷方法。圖3為LTC7890（LTC7891的雙通道版本）的仿真原理圖。
結論
GaN技術在開關模式電源領域已經取得了許多成果，可用于許多電源應用。未來，GaN開關技術仍將持續迭代更新，進一步探索應用前景。ADI公司現有的GaN開關模式電源控制器和驅動器靈活且可靠，能夠兼容當前及今后由不同供應商研發的GaN FET。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。ADI公司2024財年收入超過90億美元，全球員工約2.4萬人。ADI助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
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，負責開關模式電源產品。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。
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