氮化镓（GaN）宽带隙技术的电源应用设计

随着世界希望电气化有助于有效利用能源并转向可再生能源，氮化镓（GaN）等宽带隙半导体技术的时机已经成熟。传统硅MOSFET和IGBT的性能现在接近材料的理论极限，进一步发展只是以缓慢和高成本实现微小的改进。GaN晶体管可以显著和即时地提高功率转换效率，并且可以提供额外的优势，包括更小的尺寸和更高的可靠性。

因此，这些器件渗透到电源适配器和壁式充电器、电动汽车充电系统、工业和医疗电源以及电机驱动器等重要应用的新设计中。随着新一代设备以更纤薄的外形进入市场，最终用户将体验到这场革命，这些设备比其前代产品更易于携带和运行温度更低。GaN技术在D类音频放大器中也具有优势，包括更长的电池运行时间，便携式和移动应用中的更小尺寸，以及提供卓越音频质量的潜力。

GaN晶体管的几个重要优点源于其通常比硅等效物更低的寄生效应。特别是栅极-源极和栅极-漏极电容值较低（C 一般事务人员 ， C 广东 ） 转化为开关期间更低的能量损失。图1比较了使用硅和GaN技术实现的48 V至3.3 V降压转换器的效率，显示了GaN的显著效率优势，在更高的输出电流下，GaN的效率优势会变得更大。

* 图1. 降压转换器中GaN和硅技术之间的效率比较。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

此外，电容的更快充电和放电可缩短延迟和转换时间，使工程师能够设计开关频率进入MHz范围的应用。这允许使用更小的存储无源器件，直接影响提高功率密度。在D类放大器中，高开关频率可提高音频保真度。此外，低值的CGS增强了要求低占空比的应用（例如具有高降压比的降压稳压器）中的开关控制。

释放氮化镓优势

没有控制，功率就一无是处，该原理适用于驱动开关电路中的GaN晶体管。栅极驱动器的作用对于最大限度地提高GaN晶体管的效率优势，同时保护器件结构以确保可靠性至关重要。

MinDCet创建了MDC901驱动器IC，其功能专门设计用于确保安全，快速和高效的GaN开关，以最大限度地提高性能和节能，利用生产高性能，高可靠性ASIC和系统的经验，用于苛刻的应用，包括抗辐射空间就绪组件。图2突出显示了MDC901栅极控制器所需的PCB面积比同类栅极驱动器解决方案所需的外部元件小五倍。

* 图2. MDC901栅极控制器使用的PCB面积比同等竞争栅极驱动器解决方案所需的外部元件小五倍。图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

过充保护

GaN晶体管中的栅极氧化物相对脆弱，可能会因电压过高而损坏。栅极环路中的寄生电感行为、开关过程中晶体管电容的充电/放电以及信号线上出现的感应电压都是可能使低侧晶体管暴露于潜在破坏性过高栅源电压（V 一般事务人员 ).

有多种方法可以保护栅极免受过压影响。一是增加外部箝位电路。然而，这往往会增加功耗和电路尺寸。PCB寄生效应也限制了其有效性。或者，可以在GaN晶体管中内置保护，但代价是器件复杂性和成本增加。MinDCet的MDC901半桥栅极驱动器通过为高端和低端驱动器电路集成真正的浮动电压线性（LDO）稳压器来保护GaN栅极。这些LDO将电压严格调节在可编程为5 V或6 V的水平上，因此，该驱动器可有效防止过压，同时允许设计人员在没有内部保护的情况下更广泛地选择GaN晶体管。

死区时间控制

为了实现GaN技术在功率转换中所能提供的全部效率增益，设计人员需要了解寄生电容的行为以及当VGS = 0 V时允许晶体管反向传导的物理场。相比之下，普通的硅MOSFET具有传导续流电流的本征体二极管;GaN晶体管没有体二极管。当反向偏置时，VGS = 0 V时，器件自换向，因此续流电流通过晶体管漏源通道。这有几个优点，包括消除与体二极管反向恢复相关的损耗和二极管导通期间产生的内部噪声。

另一方面，晶体管两端的压降大于硅MOSFET体二极管两端的相应电压。在半桥中，由于这种压降引起的损耗是在晶体管死区时间内产生的。因此，较短的死区时间有助于最大限度地减少这些损失并提高效率。另一方面，由于漏源电容通过互补晶体管放电，死区时间不足会产生损耗。

实际上，理想的死区时间取决于应用。因此，死区时间控制是合适的GaN驱动器的理想特性，可帮助设计人员优化性能和效率。此外，控制还可确保死区时间在应用的生命周期内是已知的和恒定的。

MDC901提供数字输入，允许设置半桥操作的导通和关断阶段的死区时间。如果需要，驾驶员还可以自动设置死区时间。GaN栅极电压的闭环检测通过确保高端或低端晶体管仅在互补器件关闭时导通，从而提供故障保护。

输出驱动强度

GaN技术的一个关键优势在于它能够在关断和导通状态之间快速转换，从而最大限度地减少耗散。实现较短的开关转换时间取决于提供足够的栅极电流。MDC901的最大栅极驱动强度为10 A，即使在多个GaN晶体管并联的情况下，也能确保快速开关转换。

虽然快速切换通常是优先事项，但必须注意调节速度以避免振铃。这通常使用根据栅极电路电感和晶体管栅极电容选择的电阻来实现。驱动器通常集成这些电阻，以便于控制导通/关断电流。

MDC901采用不同的方法，强调使用外部电阻，将功耗移到驱动器IC之外，从而简化热管理并增强可靠性。驱动器提供独立的上拉和下拉输出，用于栅极驱动调谐。此外，该驱动器设计为在输出电压低至-4 V的情况下工作，以确保当电压摆幅低于电源地时正确工作，这可能导致源极电感和负载条件的组合。

高占空比

氮化镓晶体管快速开关能力的另一个重要优势是它们能够在低占空比下高效运行。在具有大降压比的电源转换等应用中也是如此。GaN可以在负载点（POL）将48 V总线直接转换为1 V，效率高，无需中间级。这样可以节省物料清单，减小电路尺寸，并消除中间转换损耗。在相同开关频率下，与等效的硅MOSFET技术相比，GaN晶体管能够通过执行快速转换来最小化开关损耗，可将整体转换效率提高10-15%。

相反，GaN的快速开关能力使该技术适用于需要极高占空比的应用。其中包括D类放大器和电机驱动器，特别是在高转速下工作时。当以持续的高占空比工作时，由于漏效应和系统中的其他负载偏置，自举电压以及施加到GaN晶体管栅极的电压可能会降低。为了解决这个问题，MDC901驱动器集成了一个电荷泵，以维持必要的栅极驱动偏置。这使得工作频率高达100%的占空比，从而允许高端开关长时间保持开启。MDC901还集成了自举二极管，有助于确保足够的栅极驱动强度。

图3显示了驱动器的内部特性，包括电荷泵、死区时间发生器和浮动稳压器。还集成了基本的系统安全功能，包括管芯温度监控、栅极信号输出监控和栅极欠压锁定（UVLO）。

* 图3. MDC901氮化镓栅极驱动器IC框图图片由 Bodo 的动力系统提供 [PDF]*

为了加速开发，MinDCet创建了三个半桥评估板。MDC901-EVKHB、MDC901-15I-EVKHB和MDC901-2E-EVKHB分别将MDC901驱动器与GaN Systems的100V GS61008P GaN HEMT、Innoscience的150V INN150LA070A FET和EPC2215 200V eGaN FET组合在降压转换器拓扑中。第四款采用Nexperia的150V GAN7R0-150LBE氮化镓FET的半桥评估板MDC901-15NEVKHB正在开发中，即将上市。每块板的尺寸为 80mm x 90mm，开箱即用，提供可用于测试的紧凑型解决方案。

氮化镓栅极控制结论

GaN晶体管可以直接进入已建立的功率转换拓扑结构，并具有优势，包括更高的能效、更高的功率密度、更紧凑的产品尺寸、更低的工作温度、更轻松的热管理以及更高的可靠性。

最大化这些优势需要一些重新设计，特别是在控制晶体管方面。理想的栅极驱动器特性包括用于并行控制多个GaN器件的大吸电流能力、可配置的死区时间以及栅极过充电保护。MDC901具有附加功能，包括用于需要高占空比的应用的集成电荷泵和内置系统保护功能，可满足医疗、工业、消费和汽车市场中要求苛刻的节能应用。