調(diào)整MOSFET柵極驅(qū)動器以用于GaN FETs

氮化鎵（GaN）場效應晶體管已經(jīng)徹底改變了電力電子行業(yè)，具有比傳統(tǒng)硅MOSFETs更小的尺寸、更快的開關(guān)速度、更高的效率和更低的成本等優(yōu)勢。然而，GaN技術(shù)的快速發(fā)展有時超過了專用GaN專用柵極驅(qū)動器和控制器的發(fā)展。因此，電路設(shè)計人員經(jīng)常求助于為硅MOSFETs設(shè)計的通用柵極驅(qū)動器，從而需要仔細考慮各種因素以獲得最佳性能。

GaN晶體管與Si MOSFETs

與硅MOSFETs相比，eGaN FETs表現(xiàn)出不同的特性，影響其與專為后者設(shè)計的柵極驅(qū)動器一起工作。一些主要差異包括:

較低的柵極電壓水平:eGaN FETs要求導通時的柵極電壓為5 V，關(guān)斷時的柵極電壓為0 V，最大柵極額定值為6 V，這使得驅(qū)動柵極驅(qū)動器的電源必須進行相應設(shè)計。驅(qū)動器或控制器的欠壓閉鎖（UVLO）也應與5 V柵極驅(qū)動對齊。

更快的開關(guān)速度:Si MOSFETs的RDS（on）QG可能是GaN的3倍以上，RDS（on）QGD高達10倍。因此，開關(guān)節(jié)點上可能存在75 V/ns或更高的dv/dt，因此柵極驅(qū)動器需要不受這種壓擺率的影響。更快的開關(guān)速度也會使寄生電感更加明顯，因此設(shè)計中需要采用低電感布局技術(shù)。

更高的反向?qū)▔航?與硅MOSFET不同，eGaN FETs沒有寄生體二極管，但它們以更大的壓降反向傳導電流，與MOSFET的1 V相比約為2.5 V，這意味著柵極驅(qū)動器在整流開關(guān)的死區(qū)時間內(nèi)可以看到更高的負開關(guān)節(jié)點電壓。因此，柵極驅(qū)動器應包括自舉過壓管理，并且能夠在低至-5 V的負開關(guān)節(jié)點電壓下工作。

物理結(jié)構(gòu):eGaN FETs具有橫向結(jié)構(gòu)，而額定電壓》20 V的Si MOSFETs通常是垂直器件。因此，引腳位置可能不同，使用Si MOSFET專用柵極驅(qū)動器時會帶來布局挑戰(zhàn)。GaN專用柵極驅(qū)動器設(shè)計為與大多數(shù)GaN晶體管布局兼容。將MOSFET驅(qū)動器用于GaN FET時的布局沖突要求理解設(shè)計中可能做出的權(quán)衡。

MOSFET柵極驅(qū)動器兼容性審查

在設(shè)計驅(qū)動GaN FETs的MOSFET柵極驅(qū)動器之前，它必須滿足某些要求。

與5 V電源兼容:柵極驅(qū)動器必須與驅(qū)動級的5 V電源兼容，無論是外部穩(wěn)壓電源還是內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器（LDO）。

欠壓鎖定兼容性:UVLO必須與5 V驅(qū)動器級兼容。低端驅(qū)動器級的典型UVLO介于3.75–4V和高端的3.25 - 3.75 V之間。

壓擺率抗擾度:柵極驅(qū)動器應表現(xiàn)出超過開關(guān)節(jié)點最大預期dv/dt的壓擺率抗擾度，最好大于50 kV/ s，如果無法滿足這一要求，可能需要以降低轉(zhuǎn)換器效率為代價降低開關(guān)速度。

自舉電源:許多MOSFET驅(qū)動器使用自舉電路為上層器件驅(qū)動器供電，大多數(shù)驅(qū)動器使用自舉二極管。只有使用外部自舉二極管的柵極驅(qū)動器才適合與GaN FETs一起使用，這一點在建議中會很明顯。內(nèi)置LDO后置自舉二極管的驅(qū)動器是首選。

死區(qū)能力:eGaN FETs出色的開關(guān)特性支持MHz范圍內(nèi)的工作條件，同時保持較高的轉(zhuǎn)換器效率。因此，盡可能縮短死區(qū)時間（甚至低于10 ns）非常有益。一些為MOSFETs設(shè)計的控制器無法實現(xiàn)如此低的死區(qū)時間，從而抵消了GaN器件的優(yōu)勢?？紤]使用GaN FETs的控制器時，優(yōu)先考慮具有低死區(qū)功能的控制器。

轉(zhuǎn)換MOSFET驅(qū)動器以使用GaN FETs

確定兼容的MOSFET驅(qū)動器后，可以實施以下步驟來確保與GaN FETs的最高兼容性。請參考圖1了解詳細信息以及附帶的解釋。除這些建議外，還應始終遵循通用GaN FET驅(qū)動建議。

自舉二極管:用于外部自舉二極管，使用尺寸、電容和額定電流盡可能小的肖特基二極管，如BAT54KFILM，并將其與限流電阻串聯(lián)，如圖1（a）所示。這肖特基二極管確保最低的電壓損失（V噓電視節(jié)目鹽水），使驅(qū)動器電壓盡可能接近5 V。當任何保護電路啟動時，小串聯(lián)電阻會限制自舉二極管中的電流。應當注意，該電阻可能會影響自舉電容再充電所需的最小脈沖寬度。自舉二極管后集成5 V LDO的驅(qū)動器不需要串聯(lián)電阻或隨后介紹的額外電路保護，因為這些建議已變?yōu)榭蛇x。

自舉箝位:自舉電容兩端的齊納二極管可以將電壓箝位在6 V以下，以防止低端器件反向?qū)〞r的死區(qū)期間過壓。齊納電壓為5.6 V的MM5Z5V6ST1G就是一個很好的例子，如圖1（b）所示。自舉電容和齊納二極管應盡可能靠近彼此放置，并盡可能靠近柵極驅(qū)動器。

柵極返回電阻:如圖1（c）所示，在低端GaN FET反向?qū)ㄆ陂g，為高端FET增加一個柵極返回電阻可以保護IC免受開關(guān)節(jié)點上較大負電壓的影響，如圖2所示。該電阻值還取決于上部器件門電路所需的關(guān)斷阻尼和時序。使用該電阻要求柵極的導通電阻等效降低，以補償其電阻。

圖1（a-d）。

推薦用于GaN FET兼容性的Si柵極驅(qū)動器增強。圖片由提供

博多的電力系統(tǒng)

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4.反向?qū)槲?如圖1（d）所示，一個反并聯(lián)肖特基二極管跨接在半橋拓撲的低端，可以限制驅(qū)動器承受的負開關(guān)節(jié)點電壓的幅度。當開關(guān)節(jié)點降至低于參考地的特定電壓以下時，一些柵極驅(qū)動器變得敏感或甚至可能失效。該二極管的額定電壓應與低端GaN FET的額定電壓相匹配。額定電流可能顯著低于低端FET，因為它僅在空載時間導通，因此應根據(jù)其額定脈沖電流進行選擇。

控制器IC和集成柵極驅(qū)動器

控制器IC將許多功能集成到單個IC中，包括柵極驅(qū)動器。其中一些IC可能不支持GaN器件的最佳布局，因此了解設(shè)計折衷以實現(xiàn)最佳性能非常重要。

使用GaN FETs設(shè)計功率級時，務必遵循一般布局建議。考慮的順序仍然是共源電感（CSI），然后是電源和柵極環(huán)路電感。這意味著功率級基本上設(shè)計成一個模塊，柵極信號連接到控制器IC，如圖3所示。功率級模塊建議布局的變化有助于選擇適合控制器IC的最佳模塊。在2相控制器的情況下，可能需要在兩種可選設(shè)計之間進行選擇。設(shè)計標準是將通常為硬開關(guān)的控制FET（開關(guān)）置于同步整流器之上。例如，在降壓轉(zhuǎn)換器中，應優(yōu)化布局，使高端FET柵極環(huán)路中的寄生電感最小。對于中的低端FET也是如此升壓轉(zhuǎn)換器如圖3所示。

圖二。

死區(qū)時間內(nèi)的自舉充電路徑。圖片由提供者使用

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圖3。

推薦布局。圖片由提供者使用

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調(diào)整MOSFET柵極驅(qū)動器以用于GaN FETs

為了使MOSFET柵極驅(qū)動器適用于GaN FETs，設(shè)計人員必須確保兼容性，實施建議的修改，并優(yōu)化布局以充分發(fā)揮的潛力氮化鎵技術(shù)。仔細關(guān)注這些指南，設(shè)計人員可以使用通用柵極驅(qū)動器和控制器，為成功大規(guī)模生產(chǎn)鋪平道路GaN基功率轉(zhuǎn)換器.

審核編輯 黃宇