隨著全球?qū)で箅姎饣蕴岣吣茉蠢眯什⑥D(zhuǎn)向可再生能源，寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)如氮化鎵 (GaN) 的時機已愈加成熟。傳統(tǒng)硅MOSFET和IGBT的性能已接近材料的理論極限，進一步的發(fā)展只能帶來微小的改善，進展緩慢且成本高昂。氮化鎵晶體管顯著提升了功率轉(zhuǎn)換效率，并且具有體積小、可靠性高等附加優(yōu)勢。

　　因此，這些設(shè)備廣泛應(yīng)用于重要的設(shè)計，如電源適配器、墻面充電器、電動汽車充電系統(tǒng)、工業(yè)和醫(yī)療電源以及電動機驅(qū)動器。最終用戶將在新一代設(shè)備進入市場時體驗到這一革命，這些設(shè)備的形態(tài)更為纖薄，便于攜帶，且運行溫度低于其前身。GaN 技術(shù)在D類音頻放大器中同樣展現(xiàn)了優(yōu)勢，包括更長的電池運行時間、在便攜和移動應(yīng)用中的更小體積，以及潛在的更優(yōu)音質(zhì)。

　　GaN 晶體管的幾個重要優(yōu)勢源于其相對于硅材料的較低寄生效應(yīng)。特別是，較低的門源電容 (CGS) 和門漏電容 (CGD) 值使得開關(guān)過程中的能量損失降低。圖1比較了使用硅和GaN技術(shù)實現(xiàn)的48V到3.3V降壓轉(zhuǎn)換器的效率，顯示出GaN在高輸出電流下具有顯著的效率優(yōu)勢。

　　此外，電容的快速充放電導(dǎo)致延遲和過渡時間縮短，使工程師能夠設(shè)計 MHz 范圍內(nèi)的開關(guān)頻率應(yīng)用。這允許使用更小的儲能元件，直接提高功率密度。在D類放大器中，高開關(guān)頻率能提高音頻保真度。此外，低CGS值在需要低占空比的應(yīng)用中(如具有高降比的降壓調(diào)節(jié)器)增強了開關(guān)控制。

　　解鎖GaN的優(yōu)勢

　　電源需要控制，這一原則在驅(qū)動GaN晶體管的開關(guān)電路中同樣適用。門驅(qū)動器在最大化GaN晶體管效率優(yōu)勢的同時，保護器件結(jié)構(gòu)以確保可靠性，發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

　　MinDCet開發(fā)了MDC901驅(qū)動IC，具備專為確保安全、快速和高效的GaN開關(guān)而設(shè)計的特點，利用其在高性能、高可靠性ASIC和系統(tǒng)(包括輻射耐受的太空級組件)制造方面的經(jīng)驗，旨在提升性能和節(jié)能。圖2強調(diào)MDC901門控制器所需的PCB面積比可比門驅(qū)動解決方案的外部元件小五倍。

　　過充保護

　　GaN晶體管中的柵氧化層相對脆弱，過高的電壓可能會造成損壞。柵環(huán)路中寄生電感的行為、開關(guān)過程中晶體管電容的充放電，以及信號線上出現(xiàn)的感應(yīng)電壓，都是可能將低側(cè)晶體管暴露于潛在危險的高門源電壓 (VGS) 的因素。

　　保護門極免受過電壓影響的方法有多種。其中一種是增加外部鉗位電路，但這往往會增加功耗和電路占地面積，PCB的寄生效應(yīng)也限制了其有效性。另一種選擇是在GaN晶體管中內(nèi)置保護，代價則是增加器件的復(fù)雜性和成本。MinDCet的MDC901半橋門驅(qū)動器通過為高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動電路集成真正的浮動電壓線性調(diào)節(jié)器 (LDO)，保護GaN門極。這些LDO將電壓嚴格調(diào)節(jié)至可編程的5或6 V，從而有效防止過電壓，同時讓設(shè)計師更廣泛選擇沒有內(nèi)部保護的GaN晶體管。

　　死區(qū)時間控制

　　為了實現(xiàn)GaN技術(shù)在功率轉(zhuǎn)換中所能帶來的全部效率提升，設(shè)計者需要了解寄生電容的行為以及允許當VGS = 0 V時晶體管反向?qū)ǖ奈锢碓?。與此相比，普通的硅MOSFET具有導(dǎo)通的本體二極管，而GaN晶體管沒有。當VGS = 0 V時，器件自我換向，使自由輪流電流通過晶體管的漏源通道流動。這具有多個優(yōu)勢，包括消除與本體二極管反向恢復(fù)相關(guān)的損耗，以及在二極管開啟時產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲。

　　另一方面，晶體管的電壓降比硅MOSFET的本體二極管對應(yīng)電壓降要大。在半橋中，由于這個電壓降造成的損耗發(fā)生在晶體管死區(qū)時間內(nèi)。因此，較短的死區(qū)時間有助于最小化這些損耗，提高效率。另一方面，不足的死區(qū)時間會導(dǎo)致?lián)p耗，因為漏源電容通過互補晶體管放電。

　　理想的死區(qū)時間依賴于具體應(yīng)用。因此，死區(qū)時間控制是合適的GaN驅(qū)動器的一個理想特征，有助于設(shè)計師優(yōu)化性能和效率。此外，控制還確保死區(qū)時間在應(yīng)用的生命周期中是已知且恒定的。

　　MDC901提供數(shù)字輸入，使得可以為半橋操作的開通和關(guān)斷階段設(shè)置死區(qū)時間。如有需要，驅(qū)動器也可以自動設(shè)置死區(qū)時間。對GaN門電壓的閉環(huán)監(jiān)測提供了安全保障，確保高側(cè)或低側(cè)晶體管只有在互補器件關(guān)閉時才會開啟。

　　輸出驅(qū)動強度

　　GaN技術(shù)的一大優(yōu)勢在于其能夠快速在開和關(guān)狀態(tài)之間切換，從而最小化損耗。實現(xiàn)短的開關(guān)過渡時間依賴于提供足夠的柵電流。MDC901的最大柵驅(qū)動強度為10 A，能夠確?？焖俚拈_關(guān)過渡，即便多個GaN晶體管并聯(lián)連接。

　　雖然快速開關(guān)通常是優(yōu)先考慮的事項，但也必須注意調(diào)節(jié)速度以避免振鈴。這通常通過根據(jù)門電路的電感和晶體管門電容選擇電阻來實現(xiàn)。驅(qū)動器通常將這些電阻集成，以便控制開通/關(guān)斷電流。

　　MDC901采取了不同的方法，強調(diào)使用外部電阻，將功率損耗轉(zhuǎn)移到驅(qū)動IC之外，減輕熱管理壓力并增強可靠性。驅(qū)動器提供獨立的拉高和拉低輸出，以便調(diào)節(jié)門驅(qū)動。此外，該驅(qū)動器設(shè)計可在輸出電壓低至-4 V時正常工作，以確保當電壓因源電感和負載條件而低于供電地時仍能正常操作。

　　高占空比

　　GaN晶體管快速開關(guān)能力的另一個重要優(yōu)勢是它們能夠在低占空比下高效工作。這在如具有大降比的功率轉(zhuǎn)換等應(yīng)用中尤為明顯。GaN使得可以直接將48 V總線轉(zhuǎn)換為1 V，且不需要中間階段，從而實現(xiàn)高效率。這不僅節(jié)省了材料清單成本，還減少了電路占地面積，消除了中間轉(zhuǎn)換損耗。GaN晶體管通過快速過渡來最小化開關(guān)損耗，使得整體轉(zhuǎn)換效率提高了10-15%，相較于在相同開關(guān)頻率下的硅MOSFET技術(shù)。

　　反過來，GaN的快速開關(guān)能力使得該技術(shù)適用于需要極高占空比的應(yīng)用。這包括D類放大器和電動機驅(qū)動器，尤其是在高轉(zhuǎn)速下工作時。當以持續(xù)高占空比運行時，由于泄漏效應(yīng)和其他負載偏置，提升電壓和施加在GaN晶體管門極上的電壓可能會降低。為應(yīng)對這一問題，MDC901驅(qū)動器集成了充電泵，以維持必要的門驅(qū)動偏置。這使得驅(qū)動器能夠在高達100%的占空比下運行，從而允許高側(cè)開關(guān)在較長時間內(nèi)保持開啟。MDC901還集成了引導(dǎo)二極管，幫助確保充足的門驅(qū)動強度。

　　圖3展示了驅(qū)動器的內(nèi)部特性，包括充電泵、死區(qū)時間生成器和浮動調(diào)節(jié)器。同時還集成了關(guān)鍵的系統(tǒng)安全特性，包括芯片溫度監(jiān)測、門信號輸出監(jiān)測和門電壓欠壓鎖定 (UVLO)。

　　為加速開發(fā)，MinDCet推出了三款半橋評估板：MDC901-EVKHB、MDC901-15I-EVKHB 和 MDC901-2E-EVKHB，分別將MDC901驅(qū)動器與GaN Systems的100V GS61008P GaN HEMT、Innoscience的150V INN150LA070A FET 和 EPC2215 200V eGaN FET 結(jié)合在降壓轉(zhuǎn)換器拓撲中。第四個半橋評估板MDC901-15NEVKHB正在開發(fā)中，將使用Nexperia的150V GAN7R0-150LBE GaN FET，并將很快推出。每個板的尺寸為80mm x 90mm，開箱即用，提供一個緊湊的解決方案，隨時可以進行測試。

　　GaN門控結(jié)論

　　GaN晶體管可以直接嵌入已建立的功率轉(zhuǎn)換拓撲中，帶來更高的能源效率、更高的功率密度、更緊湊的產(chǎn)品尺寸、較低的運行溫度(更易熱管理)和更高的可靠性等優(yōu)勢。

　　最大化這些優(yōu)點需要一定的重新設(shè)計，特別是在控制晶體管方面。理想的門驅(qū)動器特性包括強大的電流吸收能力，以控制多個并聯(lián)的GaN器件、可配置的死區(qū)時間和對門過充的保護。MDC901還具備其他功能，包括集成的充電泵以支持高占空比應(yīng)用和內(nèi)置的系統(tǒng)保護特性，旨在解決醫(yī)療、工業(yè)、消費和汽車市場中對高能效應(yīng)用的需求。

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