如何在切換開關模式電源中使用氮化鎵技術

摘要

本文闡述在切換開關模式電源中使用氮化鎵開關時的獨特考量因素。文中介紹的解決方案是一種專用的氮化鎵驅動器，能提供各項必要功能來協助開發出強固且可靠的設計。 此外，本文建議採用LTspice® 這項合適的工具鏈，以協助用戶成功部署氮化鎵開關。

介紹

氮化鎵 (GaN)這類的三五族半導體針對切換開關模式電源(SMPS)提供各種優異屬性。氮化鎵技術憑藉其高介電強度、低切換損耗、以及高功率密度，使其越來越受到業界的廣泛歡迎。

目前市面上有許多採用氮化鎵技術的開關元件。然而，由於這些開關的驅動方式和傳統矽基MOSFET不同，因此其應用受到了一定的限制。

圖1顯示切換開關模式降壓轉換器(buck技術)常用半橋組態的功率級。在此種設定中採用GaN開關時，務必注意其最高閘極電壓容限通常比矽基型開關低。因此，在驅動過程中必須嚴格控制閘極電壓，不得超過其上限。

此外，還需特別注意開關節點的高頻切換，亦即高低側開關之間的快速轉換。如此快速切換可能導致GaN開關意外導通，而這在傳統矽基型開關中鮮少發生。為避免這類問題，可針對升緣與降緣採用獨立的閘極控制訊號，分別控制開關的導通與關斷。

此外，在橋式拓撲中，GaN開關在死區時間內會產生較高的導通損耗。因此，為確保橋式應用達到最佳性能，必須將死區時間最小化。

為滿足GaN開關的特殊控制需求，建議採用像 LT8418這類專用GaN驅動IC。圖2顯示該驅動器在降壓轉換器的應用。LT8418 GaN橋式驅動器可提供高達4A的閘極充電電流和8A的閘極放電電流，透過獨立控制充電和放電，實現可調的上升和下落時間，確保系統穩定運行。

圖2所示的電路在48V輸入電壓、12V輸出電壓、以及12A負載電流下達到約97%的轉換效率。值得注意的是，如此的高效率是在1 Mhz的切換頻率下達成。

運用GaN開關建構功率級時，電路板佈局的優化十分重要。高速切換所產生的邊緣陡峭，加上寄生感應，容易引起嚴重的電磁輻射。為此，需採用精巧的電路設計以最小化寄生感應。LT8418橋式驅動器採用1.7 mm乘以1.7 mm的晶圓級晶粒尺寸封裝(WLCSP)，有助於實現精巧設計。

為了快速高效地控制GaN開關，建議採用免費的 LTspice模擬平台。LTspice內建了包含外部電路的完整LT8418驅動器模型。圖3 顯示LTspice中LT8418的模擬電路。

總結

GaN開關已從利基型產品躍升為功率電子領域的主流。其具備卓越的效率和功率密度，使其在電壓轉換、電動馬達驅動、以及Class-D音響放大器等眾多應用中展現巨大的潛力。隨著諸如LT8418這類最佳化驅動器模組的問市，GaN開關的驅動控制變得更加簡便可靠，因此也大力推動了功率電子技術的發展。