氮化鎵（GaN）是電力電子行業(yè)的一個熱門話題，因為它可以實現(xiàn)80Plus鈦電源、3.8 kW/L電動汽車（EV）車載充電器和電動汽車（EV）充電站等設(shè)計。在許多特定的應用中，GaN已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的MOSFET晶體管，由于它能夠驅(qū)動更高的功率密度和具有更高的效率。然而，由于GaN的電氣特性和它所能達到的性能，使用GaN元件設(shè)計面臨著與硅元件完全不同的挑戰(zhàn)。

GaN場效應晶體管包括耗盡型（d-mode）、增強型（e-mode）和共源極型（共源共柵）三種類型，每種類型都有各自的柵極驅(qū)動和系統(tǒng)要求。

氮化鎵

GaN場效應管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

每一個GaN電源開關(guān)都需要適當?shù)臇艠O驅(qū)動，否則在測試過程中可能會發(fā)生意外。GaN器件具有極其靈敏的柵極，因為它們不是傳統(tǒng)意義上的MOSFET，而是高電子遷移率晶體管（HE MT）。高電子遷移率晶體管的橫截面，類似于MOSFET。GaN FET的電流并不流經(jīng)整個襯底或緩沖層，而是流經(jīng)一個二維電子氣層。

柵極控制不當可能導致GaN FET的絕緣層、阻擋層或其他結(jié)構(gòu)部件的擊穿。這不僅會導致GaN FET在相應的系統(tǒng)條件下無法工作，而且會對器件本身造成永久性的損壞。這種級別的靈敏度要求用戶仔細檢查不同類型GaN器件的特性及其廣泛的需求。HE MT也沒有傳統(tǒng)的摻雜FET結(jié)構(gòu)，它形成PN結(jié)，形成體二極管。這也意味著沒有內(nèi)部二極管，以打破或創(chuàng)建不必要的過程，如在操作過程中的反向恢復。

柵極驅(qū)動和偏置電源

增強型GaN FET在外觀上與增強型硅FET非常相似。在大多數(shù)操作條件下，柵極閾值電壓為6V，1.5 V至1.8 V的正電壓是導通電壓。然而，大多數(shù)增強型GaN器件的最大柵極閾值電壓為7V，一旦超過，就會發(fā)生永久性損傷。

傳統(tǒng)的硅柵極驅(qū)動器可能無法提供足夠的電壓穩(wěn)定性或解決高共模瞬態(tài)抗擾度問題，因此許多設(shè)計人員選擇專門為GaN FET設(shè)計的LMG1210-Q1等柵極驅(qū)動器。無論電源電壓，LMG1210-Q1只提供了一個5V的柵極驅(qū)動電壓。傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動器需要對柵極偏置電源進行非常嚴格的控制，以免在GaN FET的柵極處產(chǎn)生過電壓。與增強型GaN FET相比，共源共柵GaN FET在易用性方面是一種折衷。

GaN FET是耗盡型器件（KT65C1R200D氮化鎵MOS是耗盡型），這意味著該器件在正常情況下是導通的，關(guān)斷時需要向柵極施加一個負閾值電壓。對于功率開關(guān)來說，這是一個大問題，許多制造商在GaN FET封裝中級聯(lián)MOSFET。GaN FET的柵極連接到硅FET的源極，并且向硅FET的柵極施加導通和截止柵極脈沖。

在封裝中串聯(lián)硅FET的優(yōu)點是，用傳統(tǒng)的隔離柵極驅(qū)動器驅(qū)動硅FET可以解決柵極驅(qū)動和電源偏置的許多問題。級聯(lián)GaN FET最大的缺點是輸出電容高，并且由于體二極管的存在，很容易發(fā)生反向恢復。與GaN FET相比，硅FET的輸出電容增加了20%，這意味著與其他GaN解決方案相比，開關(guān)損耗增加了20%以上。在反向?qū)ㄟ^程中，當電壓極性翻轉(zhuǎn)時，硅場效應晶體管的體二極管將導通電流并進行反向恢復。

硅FET的輸出電容比原來的GaN FET增加了20%，這意味著與其他GaN解決方案相比，開關(guān)損耗增加了20%以上。此外，在反向?qū)ㄟ^程中，硅場效應管的體二極管導通電流，并在電壓極性反轉(zhuǎn)時進行反向恢復。

為了防止硅場效應管的雪崩擊穿，共源共柵GaN場效應管需要在70V/ns的擺率下工作，這也增加了開關(guān)重疊損耗。雖然級聯(lián)GaN FET可以簡化設(shè)計過程，但也限制了設(shè)計的可實現(xiàn)性。

氮化鎵

集成帶來更簡單的解決方案

將耗盡型GaN FET與柵極驅(qū)動器和內(nèi)置偏置電源控制集成可以解決增強型和共源共柵GaN FET的許多設(shè)計問題。例如，LMG3522R030-Q1是一個650V 30mΩGaN器件，集成了柵極驅(qū)動器和電源管理功能，以實現(xiàn)更高的功率密度和效率，同時減少相關(guān)風險和工程工作。耗盡型GaN FET需要在封裝內(nèi)串聯(lián)一個硅場效應管，但與共源共柵GaN FET最大的區(qū)別在于，集成柵極驅(qū)動器可以直接驅(qū)動GaN場效應管的柵極，而硅場效應管保持常閉啟動開關(guān)。這種直接驅(qū)動可以解決級聯(lián)GaN FET的輸出電容高、反向恢復敏感、雪崩擊穿等主要問題。在LMG3522R030-Q1集成柵極驅(qū)動器可實現(xiàn)非常低的開關(guān)重疊損耗，使GaN FET工作在開關(guān)頻率高達2.2 MHz，并消除了使用錯誤的柵極驅(qū)動器的風險。

驅(qū)動程序的集成可以減少解決方案的大小，并啟用功率密集型系統(tǒng)。集成降壓-升壓轉(zhuǎn)換器也意味著LMG3522R030-Q1可以從9V工作至18V不受管制的用品，顯著降低偏置電源的要求。為了實現(xiàn)緊湊和經(jīng)濟的系統(tǒng)解決方案，LMG3522R030-Q1可用于超低電磁干擾變壓器驅(qū)動器，如UCC25800-Q1，通過多個次級繞組實現(xiàn)開環(huán)電感-電感-電容控制。在印刷電路板超薄設(shè)計也可以使用高度集成的緊湊型偏置電源，如UCC14240-Q1直流/直流模塊。

GaN器件與合適的柵極驅(qū)動器和寄生電源相結(jié)合，可以達到150 V/ns的開關(guān)速度、最小的開關(guān)損耗和較小的高功率系統(tǒng)磁尺寸。集成的GaN解決方案可以解決許多器件級的問題，使用戶能夠?qū)Ｗ⒂诟鼜V泛的系統(tǒng)級考慮。

審核編輯 黃宇