隨著世界向電氣化轉型，以更有效地利用能源并切換到可再生資源，氮化鎵(GaN)等寬禁帶半導體技術正迎來良機。傳統硅MOSFET和IGBT的性能已接近材料的理論極限，進一步的發展僅能實現微小的改進，過程緩慢且成本高昂。GaN晶體管則能顯著且快速地提高功率轉換效率，并提供額外的優勢，包括體積更小和更高的可靠性。

　　因此，這些設備廣泛應用于電源適配器、墻壁充電器、電動汽車充電系統、工業和醫療電源以及電機驅動等重要應用的新設計中。最終用戶將在新一代設備上市中體驗到這場革命，這些設備的外形更纖薄，便于攜帶，且運行溫度低于前輩產品。GaN技術在D類音頻放大器中也帶來了優勢，包括更長的電池續航時間、便攜和移動應用中的小尺寸，以及更佳音質的潛力。

　　GaN晶體管的幾個重要優勢來自于其寄生效應普遍低于硅等效物。特別是，較低的柵源電容和柵漏電容(CGS, CGD)值導致在開關過程中能量損失較小。圖1比較了使用硅和GaN技術實現的48 V到3.3 V降壓轉換器的效率，顯示GaN在高輸出電流下具有顯著的效率優勢。

　　此外，電容的快速充放電導致延遲和過渡時間縮短，使工程師能夠設計出切換頻率達到MHz范圍的應用。這允許使用更小的儲能被動元件，直接提高功率密度。在D類放大器中，高切換頻率可以提升音頻保真度。此外，低值CGS在需要低占空比的應用中增強了開關控制，例如高降壓比的降壓調節器。

　　解鎖GaN的優勢

　　沒有控制，功率毫無意義，這一原則在驅動GaN晶體管的開關電路中同樣適用。門驅動器的角色在于最大化GaN晶體管的效率優勢，同時保護器件結構以確保可靠性。

　　MinDCet設計了MDC901驅動IC，具備特別設計的功能，以確保安全、快速和高效的GaN切換，從而最大化性能和節能，充分利用其在高性能、高可靠性ASIC及系統設計方面的經驗，尤其是針對要求嚴苛的應用，如輻射耐受的航天組件。圖2強調了MDC901門控控制器所需的PCB面積比同類門驅動解決方案的外部組件小五倍。

　　過充保護

　　GaN晶體管的柵氧化層相對脆弱，可能因過高電壓而受損。門回路中寄生電感的行為、開關時晶體管電容的充放電，以及信號線上的感應電壓，都是可能使低側晶體管暴露于潛在的有害過高柵源電壓(VGS)的因素。

　　保護門控免受過電壓的方法有多種，其中之一是增加外部鉗位電路。然而，這往往會增加功耗和電路占地面積，PCB寄生效應也限制了其有效性。另一種方法是在GaN晶體管中內置保護，代價則是增加器件的復雜性和成本。MinDCet的MDC901半橋門驅動器通過集成真實浮動電壓線性(LDO)調節器來保護GaN門控，分別用于高側和低側驅動電路。這些LDO將電壓嚴格調節到可編程的5或6V水平。因此，驅動器有效防止過電壓，同時允許設計師選擇沒有內部保護的GaN晶體管。

　　死區時間控制

　　為了實現GaN技術在功率轉換中能帶來的全部效率提升，設計師需要理解寄生電容的行為及其在VGS = 0 V時允許晶體管反向導通的物理特性。通常，普通硅MOSFET具有一個固有的體二極管，能夠導通自由輪回電流;而GaN晶體管則沒有體二極管。當反向偏置時，VGS = 0 V，器件會自我換向，因此自由輪回電流通過晶體管的漏源通道。這帶來了多個優勢，包括消除了與體二極管反向恢復相關的損失以及二極管開啟時產生的內部噪聲。

　　另一方面，晶體管兩端的電壓降大于硅MOSFET體二極管的相應電壓。在半橋電路中，由于這一電壓降造成的損失發生在晶體管的死區時間。因此，縮短死區時間有助于最小化這些損失并提高效率。相反，如果死區時間不足，損失則會增加，因為漏源電容通過互補晶體管放電。

　　理想的死區時間依賴于具體應用。因此，死區時間控制是合適的GaN驅動器所需的特性，以幫助設計師優化性能和效率。此外，控制還確保在應用的整個生命周期內死區時間是已知且恒定的。

　　MDC901提供數字輸入，允許設置半橋操作的開通和關閉階段的死區時間。如有需要，驅動器也可以自動設置死區時間。GaN門電壓的閉環感測提供了一種安全保障，確保高側或低側晶體管只有在互補器件關閉時才能導通。

　　輸出驅動強度

　　GaN技術的一個關鍵優勢在于其能夠快速在關與開狀態之間切換，從而最小化功耗。實現短切換過渡時間依賴于提供足夠的柵電流。MDC901的最大柵驅動強度為10 A，能確保即使多個GaN晶體管并聯連接時也能實現快速切換過渡。

　　雖然快速切換通常是優先考慮的因素，但必須注意調節速度，以避免振鈴。這通常通過根據門電路的電感和晶體管柵電容選擇電阻來實現。驅動器通常將這些電阻集成，以便更好地控制開通/關斷電流。

　　MDC901采取了不同的方式，強調使用外部電阻，將功率損耗轉移到驅動IC外部，從而簡化熱管理并提高可靠性。驅動器為柵驅動調節提供了獨立的上拉和下拉輸出。此外，驅動器設計為在輸出電壓低至-4 V時運行，以確保在電壓降到接地電壓以下(這可能是源電感與負載條件組合引起的)時正常工作。

　　高占空比

　　GaN晶體管快速切換能力的另一個重要優勢在于其能夠在低占空比下高效運行。這在具有大降壓比的功率轉換等應用中尤為明顯。GaN使得48 V總線可以直接轉換為1 V，達到負載點(POL)時具有高效率，而不需要中間階段。這不僅節省了物料清單，還減少了電路占地面積，消除了中間轉換損耗。GaN晶體管通過快速過渡最小化開關損耗，使得整體轉換效率相比于同頻率的硅MOSFET技術提升10-15%。

　　反之，GaN的快速切換能力使得該技術適用于要求極高占空比的應用，包括D類放大器和電機驅動，尤其是在高轉速下運行時。當在持續的高占空比下工作時，提升電壓和施加到GaN晶體管柵極的電壓可能因泄漏效應以及系統中其他負載的偏置而降低。為了解決這一問題，MDC901驅動器集成了充電泵，以維持所需的柵驅動偏置。這使得在高達100%的占空比下運行成為可能，從而允許高側開關在較長時間內保持導通。MDC901還集成了引導二極管，幫助確保足夠的柵驅動強度。

　　圖3顯示了驅動器的內部特性，包括充電泵、死區時間生成器和浮動調節器。此外，系統必需的安全特性也被集成，包括芯片溫度監測、門信號輸出監測和柵電壓欠壓鎖定(UVLO)。

　　GaN柵極控制總結

　　GaN晶體管能夠直接嵌入已建立的功率轉換拓撲中，并帶來更高的能源效率、更高的功率密度、更緊湊的產品尺寸、更低的運行溫度(易于熱管理)以及更高的可靠性。

　　最大化這些優勢需要一定的重新設計，尤其是在晶體管的控制方面。理想的門驅動器特性包括大電流吸引能力以控制多個并聯GaN設備、可配置的死區時間以及防止門過充的保護。通過集成充電泵以服務于高占空比應用及內置系統保護特性，MDC901解決了醫療、工業、消費和汽車市場中對能源高效應用的需求。

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