作者： Pete Bartolik 工具

在電力應(yīng)用中，氮化鎵 (GaN) 器件比傳統(tǒng)硅 MOSFET 器件具有顯著的性能和效率優(yōu)勢(shì)。氮化鎵器件能夠滿足各行各業(yè)的需求，具有更高的密度、更快的切換速度和更高的能效。但對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，則會(huì)面臨重大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

從緊湊型 USB-C 充電器、電子式車載充電器到太陽(yáng)能和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員都渴望利用 GaN 半導(dǎo)體技術(shù)，打造出更小、更輕、散熱更好的產(chǎn)品。

鑒于 GaN 器件具有很快的開(kāi)關(guān)速度，設(shè)計(jì)人員因此會(huì)面臨多重挑戰(zhàn)，包括寄生電感、更精確的柵極控制需求、柵極漏電流和反向傳導(dǎo)電壓降。

專用型 GaN 控制器是用來(lái)設(shè)計(jì)某些基于 GaN 的應(yīng)用的理想選擇。 例如 Analog Devices, Inc. 提供的一系列 GaN 電源控制器。設(shè)計(jì)人員可以利用簡(jiǎn)單的專用 GaN FET 驅(qū)動(dòng)器，如帶有集成式智能自舉開(kāi)關(guān)的 LT8418 100 V 半橋 GaN 驅(qū)動(dòng)器（圖 1）。

圖 1：ADI 的專用 LT8418 半橋 GaN 驅(qū)動(dòng)器。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.）

該器件采用分離柵極驅(qū)動(dòng)器，可精確控制 GaN FET 在導(dǎo)通和關(guān)斷期間的壓擺率，從而抑制振鈴并增強(qiáng) EMI 性能。該器件還采用了用晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝 (WLCSP)，以最大限度地減少寄生電感。

此外，還可選擇更復(fù)雜的控制器，例如用于 GaN FET 的 [LTC7890 和 LTC7891] （圖 2）高性能雙降壓 DC/DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器。

圖 2：適用于 GaN FET 的高性能 ADI LTC7891 DC/DC 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.）

與硅 MOSFET 解決方案不同，LTC7890/LTC7891 器件不需要保護(hù)二極管或其他外部組件。這類器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓可在 4 V 至 5.5 V 之間精確調(diào)節(jié)，以優(yōu)化性能并支持使用其他 GaN FET 或邏輯電平 MOSFET。

當(dāng)硅控制器是唯一選擇時(shí)

對(duì)于諸如 4 開(kāi)關(guān)降壓升壓控制器等一些關(guān)鍵組件，目前尚無(wú)專門的 GaN 控制器。只要謹(jǐn)慎操作，工程師們或許能夠采用原本為 MOSFET 設(shè)計(jì)的控制器，用以驅(qū)動(dòng) GaN FET，從而提升功率和效率。如果在 GaN 應(yīng)用中直接使用針對(duì)硅器件的控制器，則在選擇組件、進(jìn)行電路板級(jí)設(shè)計(jì)時(shí)必須倍加小心，而且還有可能需要其他電路。

在高功率轉(zhuǎn)換器中，傳統(tǒng)柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓通常高于 5 V，一般在 7 V 至 10 V 之間，有時(shí)甚至更高。使用這種電壓驅(qū)動(dòng) GaN FET 時(shí)會(huì)造成問(wèn)題，因?yàn)?GaN FET 的最大額定柵極電壓通常僅為 6V。即使由于電壓尖峰或 PCB 上的雜散電感引起的振鈴而短暫超過(guò)此限值，也可能會(huì)永久損壞 GaN 器件。

為了避免這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員需要正確選擇控制器并密切關(guān)注 PCB 布局，特別是在柵極和源極返回路徑周圍，從而盡可能保持較低的電感，減少不必要的電壓過(guò)沖。

許多 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器采用非調(diào)節(jié)型硅柵極驅(qū)動(dòng)器，但其電壓可能會(huì)漂移至 GaN FET 的絕對(duì)最大電壓以上。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮管理柵極驅(qū)動(dòng)電壓、調(diào)節(jié)自舉電源和優(yōu)化死區(qū)時(shí)間。

4 開(kāi)關(guān)降壓升壓器件必須使用 5 V 柵極控制器，以防止 GaN FET 出現(xiàn)意外過(guò)壓。為保護(hù)柵極免受意外過(guò)壓的影響，引入諸如鉗位電路或柵極電壓限制器等保護(hù)組件也很重要。

利用與自舉電容器并聯(lián)的 5.1 V 齊納二極管，可將 ADI 的 [LT8390A] 用作 5 V 柵極控制器（圖 3）。這會(huì)將柵極電壓鉗制在建議的驅(qū)動(dòng)水平，因此該器件始終處于安全工作范圍內(nèi)。為了提供更多的保護(hù)，可以將 10 Ω 電阻與自舉電路串聯(lián)，以減少由非常快的高功率開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)可能引起的任何振鈴現(xiàn)象。

圖 3：該簡(jiǎn)明原理圖展示了 LT8390A 四開(kāi)關(guān)降壓升壓控制器，其采用 5.1 V 齊納二極管（D5 和 D6）和 10Ω 電阻，用于在驅(qū)動(dòng) GaN FET 時(shí)提供過(guò)電壓保護(hù)。（圖片來(lái)源：Analog Devices, Inc.）

結(jié)語(yǔ)

硅 MOSFET 控制器（例如 ADI 的 LT8390A 降壓升壓控制器）可以安全有效地驅(qū)動(dòng) GaN FET，使設(shè)計(jì)人員即使在沒(méi)有專用 DC-DC GaN 控制器的情況下也能創(chuàng)建 GaN 應(yīng)用。