用专为硅 MOSFET 设计的控制器来驱动 GaN FET-电子发烧友网

作者： Pete Bartolik 工具

在电力应用中，氮化镓 (GaN) 器件比传统硅 MOSFET 器件具有显著的性能和效率优势。氮化镓器件能够满足各行各业的需求，具有更高的密度、更快的切换速度和更高的能效。但对于某些应用来说，则会面临重大设计挑战。

从紧凑型 USB-C 充电器、电子式车载充电器到太阳能和数据中心应用，设计人员都渴望利用 GaN 半导体技术，打造出更小、更轻、散热更好的产品。

鉴于 GaN 器件具有很快的开关速度，设计人员因此会面临多重挑战，包括寄生电感、更精确的栅极控制需求、栅极漏电流和反向传导电压降。

专用型 GaN 控制器是用来设计某些基于 GaN 的应用的理想选择。例如 Analog Devices, Inc. 提供的一系列 GaN 电源控制器。设计人员可以利用简单的专用 GaN FET 驱动器，如带有集成式智能自举开关的 LT8418 100 V 半桥 GaN 驱动器（图 1）。

图 1：ADI 的专用 LT8418 半桥 GaN 驱动器。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

该器件采用分离栅极驱动器，可精确控制 GaN FET 在导通和关断期间的压摆率，从而抑制振铃并增强 EMI 性能。该器件还采用了用晶圆级芯片级封装 (WLCSP)，以最大限度地减少寄生电感。

此外，还可选择更复杂的控制器，例如用于 GaN FET 的 [LTC7890 和 LTC7891] （图 2）高性能双降压 DC/DC 开关稳压器控制器。

图 2：适用于 GaN FET 的高性能 ADI LTC7891 DC/DC 开关稳压器控制器。（图片来源：Analog Devices, Inc.）

与硅 MOSFET 解决方案不同，LTC7890/LTC7891 器件不需要保护二极管或其他外部组件。这类器件的栅极驱动电压可在 4 V 至 5.5 V 之间精确调节，以优化性能并支持使用其他 GaN FET 或逻辑电平 MOSFET。

当硅控制器是唯一选择时

对于诸如 4 开关降压升压控制器等一些关键组件，目前尚无专门的 GaN 控制器。只要谨慎操作，工程师们或许能够采用原本为 MOSFET 设计的控制器，用以驱动 GaN FET，从而提升功率和效率。如果在 GaN 应用中直接使用针对硅器件的控制器，则在选择组件、进行电路板级设计时必须倍加小心，而且还有可能需要其他电路。

在高功率转换器中，传统栅极驱动器的输出电压通常高于 5 V，一般在 7 V 至 10 V 之间，有时甚至更高。使用这种电压驱动 GaN FET 时会造成问题，因为 GaN FET 的最大额定栅极电压通常仅为 6V。即使由于电压尖峰或 PCB 上的杂散电感引起的振铃而短暂超过此限值，也可能会永久损坏 GaN 器件。

为了避免这些问题，设计人员需要正确选择控制器并密切关注 PCB 布局，特别是在栅极和源极返回路径周围，从而尽可能保持较低的电感，减少不必要的电压过冲。

许多 MOSFET 驱动器采用非调节型硅栅极驱动器，但其电压可能会漂移至 GaN FET 的绝对最大电压以上。设计时应考虑管理栅极驱动电压、调节自举电源和优化死区时间。

4 开关降压升压器件必须使用 5 V 栅极控制器，以防止 GaN FET 出现意外过压。为保护栅极免受意外过压的影响，引入诸如钳位电路或栅极电压限制器等保护组件也很重要。

利用与自举电容器并联的 5.1 V 齐纳二极管，可将 ADI 的 [LT8390A] 用作 5 V 栅极控制器（图 3）。这会将栅极电压钳制在建议的驱动水平，因此该器件始终处于安全工作范围内。为了提供更多的保护，可以将 10 Ω 电阻与自举电路串联，以减少由非常快的高功率开关节点可能引起的任何振铃现象。

图 3：该简明原理图展示了 LT8390A 四开关降压升压控制器，其采用 5.1 V 齐纳二极管（D5 和 D6）和 10Ω 电阻，用于在驱动 GaN FET 时提供过电压保护。（图片来源：Analog Devices, Inc.）