氮化鎵（GaN）是電力電子行業的一個熱門話題，因為它可以實現80Plus鈦電源、3.8 kW/L電動汽車（EV）車載充電器和電動汽車（EV）充電站等設計。在許多特定的應用中，GaN已經取代了傳統的MOSFET晶體管，由于它能夠驅動更高的功率密度和具有更高的效率。然而，由于GaN的電氣特性和它所能達到的性能，使用GaN元件設計面臨著與硅元件完全不同的挑戰。

GaN場效應晶體管包括耗盡型（d-mode）、增強型（e-mode）和共源極型（共源共柵）三種類型，每種類型都有各自的柵極驅動和系統要求。

氮化鎵

GaN場效應管的內部結構

每一個GaN電源開關都需要適當的柵極驅動，否則在測試過程中可能會發生意外。GaN器件具有極其靈敏的柵極，因為它們不是傳統意義上的MOSFET，而是高電子遷移率晶體管（HE MT）。高電子遷移率晶體管的橫截面，類似于MOSFET。GaN FET的電流并不流經整個襯底或緩沖層，而是流經一個二維電子氣層。

柵極控制不當可能導致GaN FET的絕緣層、阻擋層或其他結構部件的擊穿。這不僅會導致GaN FET在相應的系統條件下無法工作，而且會對器件本身造成永久性的損壞。這種級別的靈敏度要求用戶仔細檢查不同類型GaN器件的特性及其廣泛的需求。HE MT也沒有傳統的摻雜FET結構，它形成PN結，形成體二極管。這也意味著沒有內部二極管，以打破或創建不必要的過程，如在操作過程中的反向恢復。

柵極驅動和偏置電源

增強型GaN FET在外觀上與增強型硅FET非常相似。在大多數操作條件下，柵極閾值電壓為6V，1.5 V至1.8 V的正電壓是導通電壓。然而，大多數增強型GaN器件的最大柵極閾值電壓為7V，一旦超過，就會發生永久性損傷。

傳統的硅柵極驅動器可能無法提供足夠的電壓穩定性或解決高共模瞬態抗擾度問題，因此許多設計人員選擇專門為GaN FET設計的LMG1210-Q1等柵極驅動器。無論電源電壓，LMG1210-Q1只提供了一個5V的柵極驅動電壓。傳統的柵極驅動器需要對柵極偏置電源進行非常嚴格的控制，以免在GaN FET的柵極處產生過電壓。與增強型GaN FET相比，共源共柵GaN FET在易用性方面是一種折衷。

GaN FET是耗盡型器件（KT65C1R200D氮化鎵MOS是耗盡型），這意味著該器件在正常情況下是導通的，關斷時需要向柵極施加一個負閾值電壓。對于功率開關來說，這是一個大問題，許多制造商在GaN FET封裝中級聯MOSFET。GaN FET的柵極連接到硅FET的源極，并且向硅FET的柵極施加導通和截止柵極脈沖。

在封裝中串聯硅FET的優點是，用傳統的隔離柵極驅動器驅動硅FET可以解決柵極驅動和電源偏置的許多問題。級聯GaN FET最大的缺點是輸出電容高，并且由于體二極管的存在，很容易發生反向恢復。與GaN FET相比，硅FET的輸出電容增加了20%，這意味著與其他GaN解決方案相比，開關損耗增加了20%以上。在反向導通過程中，當電壓極性翻轉時，硅場效應晶體管的體二極管將導通電流并進行反向恢復。

硅FET的輸出電容比原來的GaN FET增加了20%，這意味著與其他GaN解決方案相比，開關損耗增加了20%以上。此外，在反向導通過程中，硅場效應管的體二極管導通電流，并在電壓極性反轉時進行反向恢復。

為了防止硅場效應管的雪崩擊穿，共源共柵GaN場效應管需要在70V/ns的擺率下工作，這也增加了開關重疊損耗。雖然級聯GaN FET可以簡化設計過程，但也限制了設計的可實現性。

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集成帶來更簡單的解決方案

將耗盡型GaN FET與柵極驅動器和內置偏置電源控制集成可以解決增強型和共源共柵GaN FET的許多設計問題。例如，LMG3522R030-Q1是一個650V 30mΩGaN器件，集成了柵極驅動器和電源管理功能，以實現更高的功率密度和效率，同時減少相關風險和工程工作。耗盡型GaN FET需要在封裝內串聯一個硅場效應管，但與共源共柵GaN FET最大的區別在于，集成柵極驅動器可以直接驅動GaN場效應管的柵極，而硅場效應管保持常閉啟動開關。這種直接驅動可以解決級聯GaN FET的輸出電容高、反向恢復敏感、雪崩擊穿等主要問題。在LMG3522R030-Q1集成柵極驅動器可實現非常低的開關重疊損耗，使GaN FET工作在開關頻率高達2.2 MHz，并消除了使用錯誤的柵極驅動器的風險。

驅動程序的集成可以減少解決方案的大小，并啟用功率密集型系統。集成降壓-升壓轉換器也意味著LMG3522R030-Q1可以從9V工作至18V不受管制的用品，顯著降低偏置電源的要求。為了實現緊湊和經濟的系統解決方案，LMG3522R030-Q1可用于超低電磁干擾變壓器驅動器，如UCC25800-Q1，通過多個次級繞組實現開環電感-電感-電容控制。在印刷電路板超薄設計也可以使用高度集成的緊湊型偏置電源，如UCC14240-Q1直流/直流模塊。

GaN器件與合適的柵極驅動器和寄生電源相結合，可以達到150 V/ns的開關速度、最小的開關損耗和較小的高功率系統磁尺寸。集成的GaN解決方案可以解決許多器件級的問題，使用戶能夠專注于更廣泛的系統級考慮。

審核編輯 黃宇