摘要：硅是电子领域极具价值的材料。生长高纯度体硅，并通过掺杂实现p型与n型半导体特性的能力，是电力电子行业发展的巨大推动力，催生出低成本、高性能的开关器件。如今，几乎所有带电池或电源插头的设备中，都能见到这类器件的身影。

硅是电子领域极具价值的材料。生长高纯度体硅，并通过掺杂实现p型与n型半导体特性的能力，是电力电子行业发展的巨大推动力，催生出低成本、高性能的开关器件。如今，几乎所有带电池或电源插头的设备中，都能见到这类器件的身影。

因此，设计人员在硅基电路设计方面积累了极其丰富的经验。长期以来，这种对硅材料的熟悉度，助力行业不断突破硅基技术的极限。

然而，尽管硅在各类应用中表现出色，但其特定的材料特性在速度、功率密度和温度范围上形成了限制，而这三个参数，对最新的开关模式电源（SMPS）而言至关重要。而行业对于替代技术的迫切需求，让碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）逐渐成为被关注的焦点。

SiC在电子领域的应用历史十分悠久，早期它主要被用于发光二极管（LED）。近年来，凭借其耐高温、耐高压的特性，SiC开始作为电源中的功率级组件使用，目前市场上已出现耐压值远超1000伏的开关器件与二极管。

在电力应用中，另一项可替代或增强硅基电路的技术便是GaN。GaN已广泛应用于消费级快充器和电源适配器，如今其在电动汽车（EV）车载充电器（OBC）、直流 - 直流（DC-DC）转换器等领域的重要性也日益提升，这些场景需要安全、稳定地处理数千瓦的瞬时功率。此外，GaN还有潜力缓解数据中心中人工智能（AI）带来的部分功率挑战，未来有望融入服务器机架的电源供应单元（PSU）中。

如今，GaN在这类开关模式电源中的应用越来越广泛。对于有意采用这项相对较新的技术的电路设计人员而言，不仅需要理解其优势与挑战，更需积累更多实际应用经验。

GaN的功率处理特性

2012年，GaN首次作为功率开关器件应用于开关模式电源（SMPS），替代硅FET。这些原型pGaN HEMT，展现出比标准硅FET器件更高的功率转换效率。

GaN功率技术过去面临的主要难题——如今依然存在——是降低成本。生长大尺寸单晶以制造可承载大量GaN功率器件的大尺寸、高质量晶圆，至今仍是一项挑战。

不过，攻克这些挑战的努力是值得的。在功率转换领域，GaN相比硅拥有一系列显著优势。GaN功率器件的核心优势在于：在给定电流和电压额定值下，其漏极电容和栅极电容更低。此外，GaN开关的物理尺寸小于硅器件，能够实现更紧凑的解决方案。

GaN的材料特性使其具备高击穿电压，这在工作电压为100伏及以上的应用中极具价值。而在100伏以下的场景中，GaN的功率密度与快速开关能力同样能带来优势，例如在设计各类电源时，可实现更高的功率转换效率。

GaN属于宽带隙（WBG）半导体，其带隙电压为3.4电子伏特（eV），而硅的带隙电压仅为1.1电eV。不过，在电源设计中，不同性能参数的重要性有所差异。一个典型的应用场景是400伏中间总线应用，例如在240伏交流（AC）功率转换器中，需使用击穿电压为650伏、漏源极电流约30安的FET。在此类系统中，若使用硅FET，所需栅极电荷为93纳库仑（nC）；而使用GaN FET时，栅极电荷仅需9纳库仑（nC）。采用这类GaN开关的应用，其工作功率水平通常在1kW至8kW之间。

使用栅极电容较小的GaN器件，可大幅缩短开关转换时间并降低开关损耗。最终，这将提升功率转换效率，尤其在开关频率较高、磁性元件尺寸较小的应用中，效果更为显著。

在SMPS中使用GaN的独特挑战

用GaN功率器件替代硅MOSFET时，会面临若干挑战。这些挑战主要涉及栅极驱动要求、开关过程中电压的快速变化，以及死区时间内的高导通损耗。

首先，GaN开关的栅极电压额定值通常低于硅FET。大多数GaN器件制造商建议的典型栅极驱动电压为5V。与此同时，GaN器件的绝对最大额定栅极电压常为6V，这意味着推荐栅极驱动电压与临界阈值（超过该阈值会损坏器件）之间的余量非常小。这一限制，再加上GaN器件栅极电荷极小的特点，要求驱动级必须严格限制最大栅极驱动电压，以防损坏GaN器件。

其次，必须应对电源开关节点处电压的快速变化（也称为du/dt）。这些瞬态电压可能导致下桥臂开关误导通。GaN器件的栅极尺寸相对较小，因此，周边区域（如开关节点）的任何快速电压变化，都可能通过电容耦合到GaN开关的小尺寸栅极上，使其误开启。要更好地控制导通与关断曲线，需要单独的上拉引脚和下拉引脚，以及精心设计的PCB布局。

最后，GaN FET在死区时间内会产生更高的导通损耗。死区时间指的是桥臂结构中高、下桥臂开关均处于关断状态的时间段。设置死区时间是为了防止高侧电压轨与地之间发生短路。在死区时间内，下桥臂开关的体二极管通常会有电流流过，而这正是导通损耗产生的原因。

解决该问题的一种方法是严格缩短死区时间，但在此过程中，必须避免高、下桥臂开关出现导通重叠时间，否则会导致对地短路。

此外，值得一提的是，GaN具有更宽的转换范围。其更快的电压上升时间和下降时间，能实现比硅MOSFET更小的占空比。

从硅MOSFET到GaN功率器件的过渡

多年来，硅一直是功率转换行业的核心支柱。如今，电源设计人员已可选用GaN开关器件，随之而来的问题是：“GaN器件能否直接替换硅MOSFET，还是需要围绕其重新设计功率级？”

与硅MOSFET不同，GaN开关没有体二极管，它通过另一种机制实现类似功能。GaN器件的导通仅涉及多数载流子，因此反向恢复电荷（Qrr）为零。但与硅MOSFET不同，GaN FET不存在体二极管的正向电压，这会导致GaN FET两端的电压可能变得非常高。因此，其在死区时间内的功率损耗会显著增加。这就是为何与使用硅开关相比，使用GaN开关时缩短死区时间至关重要的原因。

在SMPS的死区时间内，功率设计会大量依赖硅MOSFET的体二极管。在降压调节器的下桥臂开关中，电流通过体二极管流动，为电感器所需的连续电流提供通路。若下桥臂开关没有体二极管，死区时间内的每一瞬间都会导致降压调节器的开关节点电压降至负无穷。显然，在电压达到负无穷之前，电路就会因电压超出开关的额定值而损耗能量，最终损坏。

当使用GaN开关时，若源极与栅极处于相同电位，且存在电感器这类连续电流源，GaN FET会出现反向导通。

由于GaN开关不包含PN结体二极管，下桥臂开关需在其周围设置一条备用电流通路，以确保死区时间内有电流流动。

反向导通时，受GaN功率FET对称性的影响，漏极与源极的极性会反转。栅极保持接地电位，但开关节点会自偏置至GaN FET的最小导通阈值电压。这一低电压是GaN FET导通所需的最小阈值（通常为地电位-2V至地电位-3V）。由于栅源电压（VGS）未处于优化状态，反向导通时的导通电阻（RON）会增大。而外部肖特基二极管则提供了一条备用通路，可避免GaN FET进入反向导通状态。

使用GaN开关时，电路需做的第二项修改是在二极管上串联一个电阻。该电阻用于从内部电源电压（INTVCC）为电路的上桥臂驱动器提供电压，同时也可能用于限制上桥臂驱动器的峰值电流。

最后，可能需要齐纳二极管来防止上桥臂驱动器电源电压出现过高的电压尖峰。

如何为GaN选择开关控制器与栅极驱动IC

要规避SMPS中GaN基功率级保护功能的严苛评估流程，一种方法是采用专为GaN设计的电源控制器IC。选择专用控制器能让GaN电源设计更简便、更可靠。此类控制器已针对性解决了前文提及的所有挑战。

这类开关控制器还具备灵活性，能够适配当前市场上不同类型的GaN开关。GaN功率技术的研发与创新之路仍在延续，未来的GaN开关虽会带来更出色的性能，但与目前已广泛应用的GaN开关相比，其使用方式可能需要略作调整。

尽管GaN技术在制造FET器件并将其应用于先进功率级方面表现出色，但GaN未必适用于SMPS的控制电路，其成本效益也不足以支撑这一应用。因此，在可预见的未来，我们将看到一种混合方案。

控制器将以硅为基础，配备高度优化的控制与驱动电路，用于驱动高功率GaN开关。这种方案目前在技术上已可行，且成本具有竞争力。但它需要在单个电路中使用多个芯片，具体有两种实现方式：一是将GaN开关单独设置；二是在完全集成的功率转换器IC或微模块（µModule）电源解决方案中集成多个芯片，这类微模块电源还会整合包括电感器在内的多个无源元件。

如前所述，生长大尺寸、高质量的GaN晶圆仍是一项挑战。自2010年前后起，GaN制造领域的主流选择是“硅基HEMT”，原因在于这种方案能实现更大的晶圆直径，且可利用现有的硅加工基础设施，降低成本。

该方案早期面临的技术难题已得到解决，但仍需数年时间进行进一步研发。与硅和SiC采用体单晶生长不同，GaN器件是通过在硅晶圆上进行GaN外延生长制成的。而“金刚石基GaN”技术，是未来制造GaN开关的一种潜在方案。

GaN功率技术的未来展望

如今，GaN的发展已达到成熟阶段，可用于设计多款SMPS。但随着每一代新型GaN开关的推出，该技术仍将持续迭代升级。

目前，GaN技术正朝着更广泛应用的方向稳步推进。尽管如今的GaN开关本身已具备较高的稳定性，但显然，要让工程师们全面认可其可靠性，仍需更多时间与研发投入。同时，GaN开关的制造工艺也将进一步优化，良率提升与缺陷密度降低将推动其成本下降、可靠性提高。

未来，预计会涌现更多专用GaN驱动器件以及开关控制器，这些器件将简化GaN基SMPS的实现过程。

当前，GaN器件最常见的电压额定值为100V和650V，这也是首批GaN电源的工作电压集中在该范围的原因。但GaN具有的独特特性,尤其是其极小的栅极电荷，使其同样可向低压领域拓展应用。

未来，我们还将看到GaN应用于最高电压低至40V的电源中；而在高压端，GaN开关的电压等级或可提升至1000V。在此类高压场景下，GaN的快速开关特性将成为其核心竞争优势。

用于拓展电源工作范围与功率密度的半导体材料将持续发展。硅是这一切的起点，如今仍是电力电子行业的核心；但在未来10至15年内，GaN将扮演愈发重要的角色。从电动汽车（EV）到人工智能（AI）数据中心，所有领域都对功率、密度、稳定性与效率提出了更高要求，而GaN为满足这些创新需求提供了更多可能性。

来源：冉哥说事