在开关模式电源中使用氮化镓技术的注意事项

出处：网络整理发布于：2026-06-11 16:21:24 | 37 次阅读

　　硅作为电子产品中的经典材料，凭借其高纯度体硅的生长和掺杂形成的 p 型和 n 型特性，构建了庞大的微电子基础设施与产业。然而，随着技术的发展，硅的材料特性在速度、功率密度和温度范围等方面的提升遇到了瓶颈。因此，半导体行业开始积极探索替代硅的半导体技术，宽禁带半导体的研究取得了显著成果。
　　砷化镓（GaAs）作为一种 III - V 禁带半导体，在微波、激光二极管和太阳能电池等高频应用中表现出色，能够在 100 GHz 以上的频率下正常工作。碳化硅（SiC）在电子产品中的应用历史悠久，早期主要用于发光二极管，如今凭借其耐高温和耐高压的能力，广泛应用于电源中的功率级元件，可实现电压范围远高于 1000 V 的开关和二极管。
　　而在电源应用中，GaN 技术逐渐成为替代或增强硅基电路的重要选择。20 世纪 90 年代初，GaN 主要是研究级材料，但到 2003 年，从产量来看，GaN 已跻身三大半导体材料之列，仅次于硅和 GaAs。其早期应用包括固态照明和射频电子产品。2012 年，GaN 原型首次用作电源开关（pGaN HEMT 器件），替代开关模式电源中的硅场效应晶体管（FET），实现了更高的电源转换效率。
　　与硅相比，GaN 具有诸多优势。在给定电流和电压额定值下，GaN 具有较低的漏极和栅极电容，开关尺寸更小，解决方案也更加紧凑。此外，GaN 材料的击穿电压较高，可用于运行电压在 100 V 及以上的应用；对于 100 V 以下的电源设计，其功率密度和快速开关能力能够提高电源转换效率。例如，在 400 V 中间总线应用中，使用 GaN FET 的栅极电荷仅为 9 nC，而硅 FET 则需要 93 nC，这使得开关转换时间显著加快，开关损耗降低，电源转换效率得到提升。
　

　　在开关模式电源中使用宽禁带半导体的挑战
　　尽管 GaN 技术具有诸多优势，但在开关模式电源中使用 GaN 器件替代硅基 MOSFET 时，也会面临一些挑战。
　　首先，GaN 开关的栅极电压额定值通常低于硅 FET，大多数 GaN 制造商建议的典型栅极驱动电压为 5 V，部分器件的绝对最大额定值为 6 V，建议的栅极驱动电压和临界阈值之间裕量较小，超过临界阈值可能会损坏器件。而且，GaN 器件的栅极电荷非常小，这要求驱动器级必须严格限制最大栅极驱动电压。
　　其次，电源开关节点处的快速电压变化（dv/dt）可能导致底部开关误导通。由于 GaN 器件的栅极电压非常小，邻近区域（如开关节点处）的快速电压变化可能通过电容耦合作用于 GaN 开关的小尺寸栅极，使其导通。因此，需要布置单独的上拉和下拉引脚，并精心设计印刷电路板布局，以更好地控制导通和关断曲线。
　　此外，GaN FET 在死区时间的导通损耗较高。在死区时间内，电桥配置的高侧和低侧开关均断开，低侧开关通常会产生流经低侧开关体二极管的电流。为解决这一问题，需要尽可能缩短死区时间，同时要注意高侧和低侧开关的导通时间不能重叠，以避免接地端短路。不过，GaN 也提供了更宽的转换范围，快速的上升和下降时间能够实现比硅 MOSFET 更小的占空比。
　　使用 GaN 开关的电路设计要点
　　在电源转换行业，硅开关长期以来一直作为功率级开关使用。如今，GaN 开关可供电源设计人员选择，但如何用它们取代硅开关是一个关键问题。
　　典型降压稳压器开关模式电源的功率级中，使用 GaN 开关时可能需要额外的组件。GaN 开关不具备硅 MOSFET 的体二极管，其导通仅涉及多数载流子，不存在反向恢复。但 GaN FET 上的电压可能会变得非常大，死区时间内的功率损耗较高，因此需要缩短死区时间。在构建低侧开关时，需要在低侧开关周围设计一条备用电流路径，例如在低侧 GaN 开关漏极和源极之间放置一个简单的肖特基二极管（D2），以允许电流在死区时间内流动。
　　另外，使用 GaN 开关时，还需要对电路进行一些修改。将电阻与二极管 D1 串联，为电路的高侧驱动器提供来自 INTVCC 电源电压的基本电压，可能需要这个电阻来限制高侧驱动器的峰值电流。同时，为防止高侧驱动器电源电压上的电压尖峰过量，可能需要齐纳二极管 D3。
　

　　专用 GaN 控制器与驱动器的应用
　　为了简化 GaN 电源设计，增强其稳健性，可以选择专用的 GaN 控制器。例如，LTC7891 单相降压控制器专为 GaN 功率级开关而设计，能够解决使用 GaN 开关时遇到的各种挑战。该控制器提供专用的上、下栅极驱动引脚，可以单独控制 GaN 开关栅极电压的上升和下降斜率，有助于完全通过 GaN 开关驱动功率级，并最大限度减少振铃和过冲。此外，它还具有内部 Bootstrap 开关，可防止高侧驱动器在死区时间内过度充电，以及智能的近零死区时间控制功能，能够显著提高电源转换效率，支持高开关频率。
　　除了专用 GaN 控制器，工程师还可以考虑使用传统控制器 IC，并利用针对 GaN 进行了优化的驱动器级。例如，采用 LT8418 驱动器 IC 实现的降压稳压器功率级，该驱动器采用小巧的 WLCSP（晶圆级芯片规模封装），可实现非常低的寄生电阻和电感，从而降低快速电流变化导致的电压失调。
　　

　　通过仿真助力电路设计
　　选定合适的硬件、控制器 IC 和 GaN 开关之后，可通过详细的电路仿真来快速获得初步评估结果。ADI 公司的 LTspice 提供完整的电路模型，可免费用于仿真，是学习使用 GaN 开关的便捷方法。例如，LTC7891 的仿真原理图可以帮助工程师更好地理解 GaN 开关在电源中的工作情况。
　　GaN 技术的未来展望
　　GaN 技术在开关模式电源领域已经取得了显著成果，未来仍将持续发展。随着技术的不断进步，GaN 开关的可靠性将得到进一步提升，制造工艺也将不断改进，良率提高，缺陷密度降低，从而降低成本。同时，越来越多的专用 GaN 驱动器和开关控制器将推向市场，简化基于 GaN 的开关模式电源的实现。
　　目前常见的 GaN 电压是 100 V 和 650 V，未来可能会出现最大电压范围在 40V 以下的低电压电源，以更好地利用 GaN 的优势；也可能会出现电压高达 1000 V 的 GaN 开关，在高电压下实现快速开关。

0次

上一篇：隔离电源和非隔离电源入门必看