氮化鎵（GaN）是電力電子行業(yè)的一個(gè)熱門(mén)話題，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)80Plus鈦電源、3.8 kW/L電動(dòng)汽車（EV）車載充電器和電動(dòng)汽車（EV）充電站等設(shè)計(jì)。在許多特定的應(yīng)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(dòng)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(dá)到的性能，使用GaN元件設(shè)計(jì)面臨著與硅元件完全不同的挑戰(zhàn)。

GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括耗盡型（d-mode）、增強(qiáng)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(dòng)和系統(tǒng)要求。

氮化鎵

GaN場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

每一個(gè)GaN電源開(kāi)關(guān)都需要適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)，否則在測(cè)試過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生意外。GaN器件具有極其靈敏的柵極，因?yàn)樗鼈儾皇莻鹘y(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(gè)襯底或緩沖層，而是流經(jīng)一個(gè)二維電子氣層。

柵極控制不當(dāng)可能導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致GaN FET在相應(yīng)的系統(tǒng)條件下無(wú)法工作，而且會(huì)對(duì)器件本身造成永久性的損壞。這種級(jí)別的靈敏度要求用戶仔細(xì)檢查不同類型GaN器件的特性及其廣泛的需求。HE MT也沒(méi)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(méi)有內(nèi)部二極管，以打破或創(chuàng)建不必要的過(guò)程，如在操作過(guò)程中的反向恢復(fù)。

柵極驅(qū)動(dòng)和偏置電源

增強(qiáng)型GaN FET在外觀上與增強(qiáng)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(dǎo)通電壓。然而，大多數(shù)增強(qiáng)型GaN器件的最大柵極閾值電壓為7V，一旦超過(guò)，就會(huì)發(fā)生永久性損傷。

傳統(tǒng)的硅柵極驅(qū)動(dòng)器可能無(wú)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(wèn)題，因此許多設(shè)計(jì)人員選擇專門(mén)為GaN FET設(shè)計(jì)的LMG1210-Q1等柵極驅(qū)動(dòng)器。無(wú)論電源電壓，LMG1210-Q1只提供了一個(gè)5V的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。傳統(tǒng)的柵極驅(qū)動(dòng)器需要對(duì)柵極偏置電源進(jìn)行非常嚴(yán)格的控制，以免在GaN FET的柵極處產(chǎn)生過(guò)電壓。與增強(qiáng)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(dǎo)通的，關(guān)斷時(shí)需要向柵極施加一個(gè)負(fù)閾值電壓。對(duì)于功率開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)大問(wèn)題，許多制造商在GaN FET封裝中級(jí)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(dǎo)通和截止柵極脈沖。

在封裝中串聯(lián)硅FET的優(yōu)點(diǎn)是，用傳統(tǒng)的隔離柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)硅FET可以解決柵極驅(qū)動(dòng)和電源偏置的許多問(wèn)題。級(jí)聯(lián)GaN FET最大的缺點(diǎn)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(fù)。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(kāi)關(guān)損耗增加了20%以上。在反向?qū)ㄟ^(guò)程中，當(dāng)電壓極性翻轉(zhuǎn)時(shí)，硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的體二極管將導(dǎo)通電流并進(jìn)行反向恢復(fù)。

硅FET的輸出電容比原來(lái)的GaN FET增加了20%，這意味著與其他GaN解決方案相比，開(kāi)關(guān)損耗增加了20%以上。此外，在反向?qū)ㄟ^(guò)程中，硅場(chǎng)效應(yīng)管的體二極管導(dǎo)通電流，并在電壓極性反轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行反向恢復(fù)。

為了防止硅場(chǎng)效應(yīng)管的雪崩擊穿，共源共柵GaN場(chǎng)效應(yīng)管需要在70V/ns的擺率下工作，這也增加了開(kāi)關(guān)重疊損耗。雖然級(jí)聯(lián)GaN FET可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，但也限制了設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性。

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集成帶來(lái)更簡(jiǎn)單的解決方案

將耗盡型GaN FET與柵極驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)置偏置電源控制集成可以解決增強(qiáng)型和共源共柵GaN FET的許多設(shè)計(jì)問(wèn)題。例如，LMG3522R030-Q1是一個(gè)650V 30mΩGaN器件，集成了柵極驅(qū)動(dòng)器和電源管理功能，以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和效率，同時(shí)減少相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和工程工作。耗盡型GaN FET需要在封裝內(nèi)串聯(lián)一個(gè)硅場(chǎng)效應(yīng)管，但與共源共柵GaN FET最大的區(qū)別在于，集成柵極驅(qū)動(dòng)器可以直接驅(qū)動(dòng)GaN場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，而硅場(chǎng)效應(yīng)管保持常閉啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。這種直接驅(qū)動(dòng)可以解決級(jí)聯(lián)GaN FET的輸出電容高、反向恢復(fù)敏感、雪崩擊穿等主要問(wèn)題。在LMG3522R030-Q1集成柵極驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)非常低的開(kāi)關(guān)重疊損耗，使GaN FET工作在開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)2.2 MHz，并消除了使用錯(cuò)誤的柵極驅(qū)動(dòng)器的風(fēng)險(xiǎn)。

驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)緊湊和經(jīng)濟(jì)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(dòng)器，如UCC25800-Q1，通過(guò)多個(gè)次級(jí)繞組實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)電感-電感-電容控制。在印刷電路板超薄設(shè)計(jì)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(dòng)器和寄生電源相結(jié)合，可以達(dá)到150 V/ns的開(kāi)關(guān)速度、最小的開(kāi)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(jí)的問(wèn)題，使用戶能夠?qū)Ｗ⒂诟鼜V泛的系統(tǒng)級(jí)考慮。

審核編輯 黃宇