氮化镓正逐步改变着电源管理设计的格局

GaN 作为宽带隙半导体，允许功率开关在高温环境下稳定运行，并实现高功率密度。其材料特性使得在相同的物理空间内，能够处理更高的功率，这对于追求小型化、轻量化但又需要高功率输出的应用场景，如消费电子、电动汽车充电设施等，具有极大的吸引力。例如，在手机快充器中采用 GaN 技术，能够在小巧的体积内实现更高的充电功率，大大缩短充电时间。

高击穿电压与广泛适用性

GaN 材料具有较高的击穿电压，适用于 100V 以上的应用场景，如工业电源、太阳能逆变器等高压领域。在这些应用中，GaN 开关能够可靠地承受高电压，保证电源系统的稳定运行。即使在 100V 以下的各种电源设计中，GaN 凭借其高功率密度和快速开关特性，同样能显著提升功率转换效率，为不同电压等级的电源设计提供了更优的解决方案。

快速开关特性与高效节能

GaN 开关的快速开关能力是其重要优势之一。快速的开关速度意味着在开关过程中损耗更低，能够实现更高的电源转换效率。特别是在高频应用中，GaN 器件能够有效降低开关损耗，配合较小的磁性元件，进一步提高了电源系统的整体效率，减少了能源浪费，符合当前全球对于节能减排的需求。

在开关模式电源中应用 GaN 技术的挑战

栅极电压额定值较低

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 5V，一些器件的绝对最大额定值为 6V，且建议的栅极驱动电压和临界阈值之间裕量较小，一旦超过临界阈值，就可能损坏器件。这就要求驱动器级必须严格限制最大栅极驱动电压，对驱动电路的设计提出了更高的要求。

电源开关节点的 dv/dt 问题

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)发生的快速电压变化，容易以电容耦合的方式作用于 GaN 开关的小尺寸栅极，从而使其导通。为解决这一问题，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。

死区时间的导通损耗

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，而低侧开关通常会产生流经低侧开关体二极管的电流。为解决此类死区时间内导通损耗较高的问题，一种方法是尽可能缩短死区时间的时长。但同时，还必须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，这对控制电路的精度提出了严格要求。

在开关模式电源中运用 GaN 技术的方法

选用专用 GaN 控制器

对于希望涉足 GaN 开关模式电源设计的企业，选用专用的 GaN 控制器 IC 是一种有效的方法。例如 ADI 公司的单相降压 GaN 控制器 LTC7891，这类控制器专为 GaN 开关设计，能够简化电源设计流程，增强系统的稳健性。它可以解决 GaN 开关在栅极电压控制、dv/dt 干扰以及死区时间管理等方面的挑战，通过集成先进的保护功能和优化驱动电路，确保 GaN 开关在电源系统中稳定可靠地工作。

利用 GaN 驱动器改造现有电源

如果企业希望改造现有的电源及其控制器 IC 来控制基于 GaN 的电源，GaN 驱动器将发挥重要作用。GaN 驱动器能够解决 GaN 带来的诸如栅极电压控制、防止误导通等挑战，实现与现有控制器 IC 的兼容，从而以相对简单的方式实现电源系统对 GaN 开关的应用，且保证设计的稳健性。例如采用 LT8418 驱动器 IC 实现的降压稳压器功率级，通过合理运用 GaN 驱动器，有效提升了电源系统的性能。

借助电路仿真优化设计

在选定合适的硬件、控制器 IC 和 GaN 开关之后，利用详细的电路仿真来快速获得初步评估结果至关重要。像 ADI 公司的 LTspice® 提供了完整的电路模型，并且可免费用于仿真。通过仿真，设计工程师可以模拟不同工作条件下电源系统的性能，评估效率、稳定性以及热性能等指标，从而对电路设计进行优化，提前发现潜在问题并加以解决，大大缩短了产品的研发周期，提高了设计的成功率。

总结与展望

氮化镓技术为开关模式电源带来了更高的效率、功率密度以及更广泛的应用可能性。尽管在应用过程中面临着一些挑战，但通过选用专用的 GaN 控制器、合理利用 GaN 驱动器以及借助电路仿真等手段，这些问题能够得到有效的解决。随着技术的不断发展和完善，GaN 技术在开关模式电源领域的应用前景十分广阔。未来，GaN 开关技术将持续迭代更新，有望在更多领域实现突破，进一步推动电源管理技术的进步，为电子设备的性能提升和能源利用效率的提高做出更大贡献。无论是在消费电子、通信设备，还是工业、汽车等领域，GaN 技术都将成为提升电源系统性能的关键技术之一，引领开关模式电源进入一个全新的发展阶段。