氮化镓技术概述

氮化镓（GaN）作为一种III-V族半导体，为开关模式电源（SMPS）带来了卓越的性能表现。它具有高介电强度、低开关损耗以及高功率密度等显著特点，因此在电源领域的应用日益广泛。目前，市场上有众多基于GaN技术的开关可供选择，但与传统的MOSFET相比，由于其驱动方式的差异，这些开关的应用在一定程度上受到了限制。

应用挑战与应对策略

栅极电压耐受问题

在开关模式降压转换器常用的半桥配置功率级中使用GaN开关时，需要特别注意其最大栅极电压耐受值通常比硅基开关低。因此，在驱动过程中，严格遵守最大栅极电压限制是至关重要的，否则可能会导致开关损坏。

（图1：SMPS中电源开关的驱动，图片来源网络）

开关节点快速切换问题

连接高侧与低侧开关的开关节点会发生快速切换，这种快速切换可能会导致GaN开关意外导通，而这一失效模式在传统硅基开关中并不常见。为了缓解这一问题，可以为上升沿和下降沿设置独立的栅极控制线，以确保开关的稳定运行。

死区时间线路损耗问题

在桥式拓扑结构中，GaN开关在死区时间内的线路损耗会增加。因此，在桥式应用场景中使用GaN开关时，必须尽可能缩短死区时间，以实现理想的性能表现。

专用GaN驱动器的应用

为了有效满足GaN开关的特定控制需求，建议使用诸如LT8418之类的专用GaN驱动器IC。如图2所示，该驱动器在降压式开关稳压器中得到了应用。

（图2：LT8418，一款用于GaN开关的100V半桥驱动器，图片来源网络）

LT8418GaN桥式驱动器性能出色，栅极充电时驱动强度可达4A，关断期间栅极放电强度更是高达8A。凭借独立的充放电控制线，可灵活调整上升与下降时间，保障电路稳定可靠运行。在输入电压为48V、输出电压为12V、负载电流为12A的情况下，该电路在1MHz的开关频率下实现了约97%的转换效率，充分展示了其高效性。

电路板布局优化

当构建使用GaN开关的功率级时，电路板布局的优化至关重要。快速的开关边沿与寄生电感相互作用，可能会产生不良的高电磁辐射。为了尽可能减少这些寄生电感，紧凑的电路设计不可或缺。正因如此，LT8418桥式驱动器采用了紧凑的晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP），其尺寸仅为1.7mm×1.7mm，有助于降低寄生电感的影响。

仿真工具推荐

要想快速、高效地体验GaN开关的控制过程，免费的仿真环境LTspice是一个不错的选择。LTspice不仅包含LT8418GaN驱动器的全面仿真模型，还配备了完整的外部电路。如图3所示，通过在LTspice中进行评估，可以更好地了解GaN开关在实际应用中的性能。

（图3：在LTspice仿真环境中评估采用GaN电源开关的SMPS，图片来源网络）

结论

氮化镓开关已从小众产品发展成为电力电子领域的关键角色。凭借在效率与功率密度方面的显著优势，GaN开关在电压转换、电机驱动、D类音频放大器等多种应用场景中展现出强大的吸引力。随着LT8418等优化驱动模块的相继问世，控制这项新的电路技术已变得既简单又可靠。因此，GaN开关为电力电子技术的发展带来了巨大的潜力，有望在未来的电源领域发挥更加重要的作用。