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開關模式電源開始采用GaN開關

發布時間:2025-3-19 18:35    發布者:eechina
關鍵詞: GaN驅動器 , GaN開關 , LTC7890
作者:Frederik Dostal,ADI公司電源管理專家

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。

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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