作者：Frederik Dostal，電源管理主題專(zhuān)家

摘要

本文闡釋了在開(kāi)關(guān)模式電源中使用氮化鎵(GaN)開(kāi)關(guān)所涉及的獨(dú)特考量因素和面臨的挑戰(zhàn)。文中提出了一種以專(zhuān)用GaN驅(qū)動(dòng)器為形式的解決方案，可提供必要的功能，打造穩(wěn)固可靠的設(shè)計(jì)。此外，本文還建議將LTspice®作為合適的工具鏈來(lái)使用，以便成功部署GaN開(kāi)關(guān)。

引言

氮化鎵(GaN)是一種III-V族半導(dǎo)體，為開(kāi)關(guān)電模式電源(SMPS)提供了出眾的性能。GaN技術(shù)具有高介電強(qiáng)度、低開(kāi)關(guān)損耗、高功率密度等特點(diǎn)，因此日益受到歡迎。

如今，市面上有眾多基于GaN技術(shù)的開(kāi)關(guān)可供選擇。然而，與傳統(tǒng)的MOSFET相比，由于需要采用不同的驅(qū)動(dòng)方式，這些開(kāi)關(guān)的應(yīng)用在一定程度上受到了限制。

圖1.SMPS中電源開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)。

圖1展示了開(kāi)關(guān)模式降壓轉(zhuǎn)換器（降壓技術(shù)）中常用的半橋配置功率級(jí)。在此配置中使用GaN開(kāi)關(guān)時(shí)，必須考慮到，與硅基開(kāi)關(guān)相比，GaN開(kāi)關(guān)的最大柵極電壓耐受值通常較比較低。因此，在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中嚴(yán)格遵守最大柵極電壓限制至關(guān)重要。

此外，連接高側(cè)與低側(cè)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生快速切換，這一現(xiàn)象不容忽視。這種快速切換不應(yīng)導(dǎo)致GaN開(kāi)關(guān)意外導(dǎo)通，而這種失效模式對(duì)于傳統(tǒng)硅基開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)并不常見(jiàn)。要緩解這一問(wèn)題，可以為上升沿和下降沿設(shè)置獨(dú)立的柵極控制線。

再者，在橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，GaN開(kāi)關(guān)在死區(qū)時(shí)間內(nèi)的線路損耗會(huì)增加。因此，在橋式應(yīng)用場(chǎng)景中使用GaN 開(kāi)關(guān)時(shí)，必須盡可能縮短死區(qū)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)理想的性能表現(xiàn)。

圖2.LT8418，一款用于GaN開(kāi)關(guān)的100 V半橋驅(qū)動(dòng)器。

為了有效滿足GaN開(kāi)關(guān)的特定控制需求，建議使用諸如LT8418之類(lèi)的專(zhuān)用GaN驅(qū)動(dòng)器IC。圖2展示了這款驅(qū)動(dòng)器在降壓式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的應(yīng)用。LT8418 GaN橋式驅(qū)動(dòng)器性能出色，柵極充電時(shí)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度可達(dá)4A，關(guān)斷期間柵極放電強(qiáng)度更是高達(dá)8A。憑借獨(dú)立的充放電控制線，可靈活調(diào)整上升與下降時(shí)間，保障電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

在輸入電壓為48 V、輸出電壓為12 V、負(fù)載電流為12 A的情況下，圖2中的電路實(shí)現(xiàn)了約97%的轉(zhuǎn)換效率。值得注意的是，這一轉(zhuǎn)換效率是在1 MHz的開(kāi)關(guān)頻率下達(dá)成的。

當(dāng)構(gòu)建使用GaN開(kāi)關(guān)的功率級(jí)時(shí)，必須仔細(xì)優(yōu)化電路板布局?？焖俚拈_(kāi)關(guān)邊沿與寄生電感相互作用，可能會(huì)產(chǎn)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(shè)計(jì)不可或缺。正因如此，LT8418橋式驅(qū)動(dòng)器采用了緊湊的晶圓級(jí)芯片尺寸封裝(WLCSP)，其尺寸僅為1.7 mm ×1.7 mm。

要想快速、高效地體驗(yàn)GaN開(kāi)關(guān)的控制過(guò)程，強(qiáng)烈推薦使用免費(fèi)的仿真環(huán)境LTspice。LTspice不僅包含LT8418 GaN驅(qū)動(dòng)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(jìn)行評(píng)估的LT8418原理圖。

圖3.在LTspice仿真環(huán)境中評(píng)估采用GaN電源開(kāi)關(guān)的SMPS。

結(jié)論

GaN開(kāi)關(guān)已從小眾產(chǎn)品發(fā)展成為電力電子領(lǐng)域的關(guān)鍵角色。憑借在效率與功率密度方面的顯著優(yōu)勢(shì)，GaN開(kāi)關(guān)在電壓轉(zhuǎn)換、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、D類(lèi)音頻放大器等多種應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出強(qiáng)大吸引力。隨著LT8418等優(yōu)化驅(qū)動(dòng)模塊相繼問(wèn)世，控制這項(xiàng)新的電路技術(shù)已變得既簡(jiǎn)單又可靠。因此，GaN開(kāi)關(guān)為電力電子技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了巨大潛力。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車(chē)和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財(cái)年收入超過(guò)90億美元，全球員工約2.4萬(wàn)人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。

作者簡(jiǎn)介

Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的電源管理專(zhuān)家。他曾就讀于德國(guó)埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，幫助客戶(hù)在項(xiàng)目中實(shí)施電源管理解決方案，進(jìn)而積累了不少經(jīng)驗(yàn)。在此期間，他還在美國(guó)亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔(dān)任應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品。他于2009年加入ADI公司，先后擔(dān)任多個(gè)產(chǎn)品線和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設(shè)計(jì)和應(yīng)用知識(shí)，目前擔(dān)任電源管理專(zhuān)家。Frederik在ADI的德國(guó)慕尼黑分公司工作。