隨著世界希望電氣化有助于有效利用能源并轉向可再生能源，氮化鎵（GaN）等寬帶隙半導體技術的時機已經成熟。傳統硅MOSFET和IGBT的性能現在接近材料的理論極限，進一步發展只是以緩慢和高成本實現微小的改進。GaN晶體管可以顯著和即時地提高功率轉換效率，并且可以提供額外的優勢，包括更小的尺寸和更高的可靠性。

因此，這些器件滲透到電源適配器和壁式充電器、電動汽車充電系統、工業和醫療電源以及電機驅動器等重要應用的新設計中。隨著新一代設備以更纖薄的外形進入市場，最終用戶將體驗到這場革命，這些設備比其前代產品更易于攜帶和運行溫度更低。GaN技術在D類音頻放大器中也具有優勢，包括更長的電池運行時間，便攜式和移動應用中的更小尺寸，以及提供卓越音頻質量的潛力。

GaN晶體管的幾個重要優點源于其通常比硅等效物更低的寄生效應。特別是柵極-源極和柵極-漏極電容值較低（C 一般事務人員 ， C 廣東 ） 轉化為開關期間更低的能量損失。圖1比較了使用硅和GaN技術實現的48 V至3.3 V降壓轉換器的效率，顯示了GaN的顯著效率優勢，在更高的輸出電流下，GaN的效率優勢會變得更大。

* 圖1. 降壓轉換器中GaN和硅技術之間的效率比較。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

此外，電容的更快充電和放電可縮短延遲和轉換時間，使工程師能夠設計開關頻率進入MHz范圍的應用。這允許使用更小的存儲無源器件，直接影響提高功率密度。在D類放大器中，高開關頻率可提高音頻保真度。此外，低值的CGS增強了要求低占空比的應用（例如具有高降壓比的降壓穩壓器）中的開關控制。

釋放氮化鎵優勢

沒有控制，功率就一無是處，該原理適用于驅動開關電路中的GaN晶體管。柵極驅動器的作用對于最大限度地提高GaN晶體管的效率優勢，同時保護器件結構以確保可靠性至關重要。

MinDCet創建了MDC901驅動器IC，其功能專門設計用于確保安全，快速和高效的GaN開關，以最大限度地提高性能和節能，利用生產高性能，高可靠性ASIC和系統的經驗，用于苛刻的應用，包括抗輻射空間就緒組件。圖2突出顯示了MDC901柵極控制器所需的PCB面積比同類柵極驅動器解決方案所需的外部元件小五倍。

* 圖2. MDC901柵極控制器使用的PCB面積比同等競爭柵極驅動器解決方案所需的外部元件小五倍。圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

過充保護

GaN晶體管中的柵極氧化物相對脆弱，可能會因電壓過高而損壞。柵極環路中的寄生電感行為、開關過程中晶體管電容的充電/放電以及信號線上出現的感應電壓都是可能使低側晶體管暴露于潛在破壞性過高柵源電壓（V 一般事務人員 ).

有多種方法可以保護柵極免受過壓影響。一是增加外部箝位電路。然而，這往往會增加功耗和電路尺寸。PCB寄生效應也限制了其有效性。或者，可以在GaN晶體管中內置保護，但代價是器件復雜性和成本增加。MinDCet的MDC901半橋柵極驅動器通過為高端和低端驅動器電路集成真正的浮動電壓線性（LDO）穩壓器來保護GaN柵極。這些LDO將電壓嚴格調節在可編程為5 V或6 V的水平上，因此，該驅動器可有效防止過壓，同時允許設計人員在沒有內部保護的情況下更廣泛地選擇GaN晶體管。

死區時間控制

為了實現GaN技術在功率轉換中所能提供的全部效率增益，設計人員需要了解寄生電容的行為以及當VGS = 0 V時允許晶體管反向傳導的物理場。相比之下，普通的硅MOSFET具有傳導續流電流的本征體二極管;GaN晶體管沒有體二極管。當反向偏置時，VGS = 0 V時，器件自換向，因此續流電流通過晶體管漏源通道。這有幾個優點，包括消除與體二極管反向恢復相關的損耗和二極管導通期間產生的內部噪聲。

另一方面，晶體管兩端的壓降大于硅MOSFET體二極管兩端的相應電壓。在半橋中，由于這種壓降引起的損耗是在晶體管死區時間內產生的。因此，較短的死區時間有助于最大限度地減少這些損失并提高效率。另一方面，由于漏源電容通過互補晶體管放電，死區時間不足會產生損耗。

實際上，理想的死區時間取決于應用。因此，死區時間控制是合適的GaN驅動器的理想特性，可幫助設計人員優化性能和效率。此外，控制還可確保死區時間在應用的生命周期內是已知的和恒定的。

MDC901提供數字輸入，允許設置半橋操作的導通和關斷階段的死區時間。如果需要，駕駛員還可以自動設置死區時間。GaN柵極電壓的閉環檢測通過確保高端或低端晶體管僅在互補器件關閉時導通，從而提供故障保護。

輸出驅動強度

GaN技術的一個關鍵優勢在于它能夠在關斷和導通狀態之間快速轉換，從而最大限度地減少耗散。實現較短的開關轉換時間取決于提供足夠的柵極電流。MDC901的最大柵極驅動強度為10 A，即使在多個GaN晶體管并聯的情況下，也能確保快速開關轉換。

雖然快速切換通常是優先事項，但必須注意調節速度以避免振鈴。這通常使用根據柵極電路電感和晶體管柵極電容選擇的電阻來實現。驅動器通常集成這些電阻，以便于控制導通/關斷電流。

MDC901采用不同的方法，強調使用外部電阻，將功耗移到驅動器IC之外，從而簡化熱管理并增強可靠性。驅動器提供獨立的上拉和下拉輸出，用于柵極驅動調諧。此外，該驅動器設計為在輸出電壓低至-4 V的情況下工作，以確保當電壓擺幅低于電源地時正確工作，這可能導致源極電感和負載條件的組合。

高占空比

氮化鎵晶體管快速開關能力的另一個重要優勢是它們能夠在低占空比下高效運行。在具有大降壓比的電源轉換等應用中也是如此。GaN可以在負載點（POL）將48 V總線直接轉換為1 V，效率高，無需中間級。這樣可以節省物料清單，減小電路尺寸，并消除中間轉換損耗。在相同開關頻率下，與等效的硅MOSFET技術相比，GaN晶體管能夠通過執行快速轉換來最小化開關損耗，可將整體轉換效率提高10-15%。

相反，GaN的快速開關能力使該技術適用于需要極高占空比的應用。其中包括D類放大器和電機驅動器，特別是在高轉速下工作時。當以持續的高占空比工作時，由于漏效應和系統中的其他負載偏置，自舉電壓以及施加到GaN晶體管柵極的電壓可能會降低。為了解決這個問題，MDC901驅動器集成了一個電荷泵，以維持必要的柵極驅動偏置。這使得工作頻率高達100%的占空比，從而允許高端開關長時間保持開啟。MDC901還集成了自舉二極管，有助于確保足夠的柵極驅動強度。

圖3顯示了驅動器的內部特性，包括電荷泵、死區時間發生器和浮動穩壓器。還集成了基本的系統安全功能，包括管芯溫度監控、柵極信號輸出監控和柵極欠壓鎖定（UVLO）。

* 圖3. MDC901氮化鎵柵極驅動器IC框圖圖片由 Bodo 的動力系統提供 [PDF]*

為了加速開發，MinDCet創建了三個半橋評估板。MDC901-EVKHB、MDC901-15I-EVKHB和MDC901-2E-EVKHB分別將MDC901驅動器與GaN Systems的100V GS61008P GaN HEMT、Innoscience的150V INN150LA070A FET和EPC2215 200V eGaN FET組合在降壓轉換器拓撲中。第四款采用Nexperia的150V GAN7R0-150LBE氮化鎵FET的半橋評估板MDC901-15NEVKHB正在開發中，即將上市。每塊板的尺寸為 80mm x 90mm，開箱即用，提供可用于測試的緊湊型解決方案。

氮化鎵柵極控制結論

GaN晶體管可以直接進入已建立的功率轉換拓撲結構，并具有優勢，包括更高的能效、更高的功率密度、更緊湊的產品尺寸、更低的工作溫度、更輕松的熱管理以及更高的可靠性。

最大化這些優勢需要一些重新設計，特別是在控制晶體管方面。理想的柵極驅動器特性包括用于并行控制多個GaN器件的大吸電流能力、可配置的死區時間以及柵極過充電保護。MDC901具有附加功能，包括用于需要高占空比的應用的集成電荷泵和內置系統保護功能，可滿足醫療、工業、消費和汽車市場中要求苛刻的節能應用。