在設計基于氮化鎵的轉換器七年后，我們可以肯定地說，從硅 MOSFET 到 GaN 晶體管的轉換是一個革命性事件，其規模可與 70 年代后期的功率 MOSFET 革命相媲美，當時 Alex Lidow 發明了 HexFET并與國際整流器一起推向市場。

我們的 GaN 體驗始于 2014 年夏天，當時我們參加了 Google 的 Little Box Challenge。我們知道 GaN，但擔心 GaN 是否足夠成熟和可用。經過一段時間的猶豫，GaN Systems 于 2014 年 12 月給我們打電話，告訴我們沒有風險，Mouser 的器件穩定且有庫存，我們可以指望他們的支持。這讓我們信服：我們完成了設計，并被谷歌從 15 名決賽選手中選中。雖然我們沒有獲獎，但很高興能夠與 Schneider、Fraunhofer Institut、ETH 和 Virginia Tech 等享有盛譽的團隊互動。我們向人們講述了 Little Box 的經歷，我們成為了一家 GaN 設計公司。

最初，處理這些新的 GaN 器件有點像試圖馴服野生動物。測量導通電阻的簡單測試設置就像無線電發射器一樣。必須多次重做原理圖和 PCB 布局以消除雜散電感并獲得穩定、可靠、快速的柵極驅動。在我們可以說我們對GaN感到滿意之前，我們搞砸了許多設備。今天，我們毫不懷疑，遷移到 GaN 曾經并且現在是將電力電子性能提升到新水平的方式。

誤區：GaN 易于使用

GaN 營銷材料通常是關于使用GaN 進行設計的難易程度。GaN 晶體管的某些方面確實比 MOSFET 更容易設計，例如更低的柵極電荷、沒有反向恢復損耗、更線性的輸出電容，以及非常快速的關斷和低相關的開關損耗，使其非常適合軟- 開關轉換器。

GaN 營銷有時會談論如何通過用 GaN 晶體管替換 MOSFET 來改進現有設計——不要相信。這不是使革命發生的方式。這不是對 GaN 的智能使用。這既不容易，也不會帶來顯著的改進。更換驅動器以避免破壞非常敏感的柵極，重做布局以避免振蕩，重新設計散熱，調整死區時間，處理奇怪的封裝——所有這些都不容易，而且可能不值得稍微增加導通電阻，特別是如果設計是一個硬開關轉換器。

應用說明可以讓生活更輕松，但請注意建議的一些解決方案存在缺陷或錯誤。一個常見的神話是柵極驅動很容易，并且周圍有很多好的 GaN 驅動器解決方案。但是一些推薦的驅動器在高頻下會過熱，并且存在其他缺陷，使它們不可靠或無法使用。不僅如此，一些解決方案還不必要地復雜。例如，通常建議負向驅動柵極以可靠地關閉 GaN 器件，但這既沒有必要也不可取。事實上，如果您注意避免柵極驅動上升沿和下降沿的過沖，您將獲得可靠、快速的操作，而無需負驅動和更簡單的電路。

SPICE 仿真非常有用，但為 GaN 晶體管提供的模型過于復雜且速度慢。對于每個 GaN 器件，我們發現最好使用具有所需導通電阻的簡單受控開關，與等于器件 C oss的電容并聯，以及具有相同導通電阻的反并聯理想二極管。

現實：GaN 需要頂尖的工程技能

要體驗 GaN 革命，必須以一種能夠充分發揮其優勢的方式使用 GaN 晶體管。這需要高水平的工程技能，包括：

提高工作頻率，以縮小磁性元件的尺寸

確保在所有條件下的軟切換

使用創新拓撲

使用具有亞納秒分辨率定時器的快速 CPU 控制電路

設計特殊磁體，通常使用平面繞組和特殊磁芯形狀和鐵氧體

執行廣泛的磁學模擬

使用射頻技術和低電感路徑布置 PCB

設計無過沖的合適柵極驅動器

照顧熱氣

當心：圍繞 GaN 的生態系統幾乎沒有發展

由于圍繞 GaN 器件所需的器件很少發展到支持 GaN，因此基于 GaN 的工程設計變得更加困難：

磁體形狀尚未演變為平面設計，以允許平面繞組具有更多銅。

PCB 制造商很少對平面設計所需的特殊層積層提供幫助。

基于 GaN 的轉換器沒有專用的軟開關控制器。

MLCC 電容還沒有發展到支持兆赫茲操作（甚至電容器也有集膚效應）。

可用的柵極驅動器很少，也沒有可用的低成本電平轉換柵極驅動器。

這意味著必須以一種聰明的方式使用可用的組件，解決它們的弱點。

控制器：DSP 處理器是一種惰性解決方案，它允許您在浮點中工作，允許您幾乎復制控制方程并讓處理器處理數字，但這非常低效且速度太慢。使用具有快速乘法和移位功能的快速定點處理器以及高分辨率計時器要好得多。但請記住，像 STM32 系列這樣的設備是復雜的野獸，其中僅高分辨率計時器就需要閱讀一周的時間才能理解它，還要花一周的時間來弄清楚如何設置它的寄存器。使用具有相關快速電流變化的低電感值會縮短控制環路周期時間，通常在 100 kHz 范圍內。直接訪問外設寄存器是強制性的（忘記 HAL、CUBE 等）。避免循環饑餓的除法運算，并考慮使用快速乘法和移位運算可能會獲得相同的結果。定點是你的朋友：有限的字長和不得不考慮溢出的風險會讓你思考更多，編程更好。

磁學：培養平面磁學設計技能。我們通常在 3F46 鐵氧體中使用 RM 磁芯，并在反向堆積中使用四層 PCB 堆疊，僅在磁芯層上使用埋入式和盲孔機械鉆孔。使所有繞組全寬（每層一圈）。如果您需要使用并聯繞組，請將每個繞組均勻分布在所有層上，并定期更換層，例如 PCB 版本的李茲線，否則您將獲得具有巨大銅損的再循環電流。

電容器：使用高品質的 MLCC 電容器，例如 TDK 的電容器。它們往往具有最完整的阻抗規格以及在高電流和頻率下的最佳行為。如果在大電流、高頻路徑上使用，請使用最薄的電容器并將返回路徑走線放置在非常靠近附近的層上。防止高頻通過大容量電解電容器。

自舉二極管：高側 GaN 驅動器需要一個用于驅動器的高壓自舉二極管。如果您使用 1 MHz 的“超快恢復”硅二極管，它會過熱。您必須使用碳化硅肖特基二極管，但如果您想要像 SMB 這樣的緊湊型封裝，選擇非常有限——只有一個！

柵極驅動器：這是迄今為止生態系統中最薄弱的部分，特別是對于高壓 GaN。不要使用柵極驅動器來處理死區時間或交叉傳導保護——時間太快了，這些事情最好由 CPU 中的高分辨率定時器來處理。此外，考慮到上升前沿和下降前沿的死區時間通常不同，因此需要不斷變化——沒有驅動程序具有這種能力。最佳選擇是隔離式單通道驅動器，但請確保選擇最簡單的器件，具有適當的低欠壓鎖定 (<5 V)、低抖動、無死區時間控制和去毛刺。

低成本柵極驅動器：存在高壓電平轉換非隔離驅動器，但存在問題。例如，經常推薦的一種流行的“高速”器件在高頻時的電平轉換器中具有非常高的未記錄功率損耗，在啟動時從自舉電容器汲取的高電流未記錄，傳播延遲中未記錄的不可預測的變化，以及偶爾失去高驅動。

由于生態系統中的所有這些缺陷，一些制造商試圖通過提供內置驅動器和類似的附加電路來使自己與眾不同，這可能會使 GaN 設計“更容易”。但是，這些添加的電路通常針對特定電路（例如 ACF）進行優化，并且可能在新拓撲中以不希望的方式執行。此類帶有內置驅動器的“簡單設計”器件的數據表往往會忽略柵極電荷或柵極電容等重要信息，就好像驅動器神奇地消除了這些影響，或者不必擔心它們。

所有寬帶隙設備都是高性能的嗎？

碳化硅呢？我們在一些項目中考慮過 SiC，但我們不喜歡大而笨重的電感封裝；更高的柵極電荷；并且存在具有反向恢復損耗的體二極管。SiC 的唯一優勢是更好的散熱性能和更高的擊穿電壓，因此使其成為慢時鐘牽引或可再生逆變器的首選。然而，即使對于這些應用，我們也可能會考慮使用多級 GaN 解決方案來充分利用真正的寬帶隙器件。

結論

學習圍繞 GaN 設計電路在功率密度和效率方面非常有益。GaN 器件一開始可能有點嚇人，但最困難的不是 GaN 器件本身，而是它們周圍的組件（磁性器件、無源器件、控制器和驅動器），它們幾乎沒有發展到促進 GaN 的采用。盡管如此，對 GaN 的堅持和經驗將帶來信心，并實現 MOSFET 無法想象的性能水平。

審核編輯 黃昊宇