高功率应用的GaN产品选用指南

宽禁带-未来的材料?

功率几乎是每一个电子设计中的共同主题，有效地管理和使用功率是现代面临的挑战之一。在汽车中越来越普遍，它可以存储我们生产的难以置信的数据，从自然中获取能量，也可以应用在我们使用的每一个小型便携式设备中帮助我们管理繁忙的日常生活。

任何功率解决方案的核心都是半导体开关器件。一般情况下，这些半导体开关器件都是由硅材料制造的，但它们已经达到了一个临界点，即不太可能进一步提高效率，而替代材料正在开发中。所谓的宽禁带(WBG)材料已经出现，可以将DC/DC转换器的效率从85%提高到95%左右，或者将DC/AC逆变器的效率从96%提高到99%，这是一个显著的进步。

氮化镓(GaN)是首批商业化的WBG材料之一，通常用于高电子迁移率晶体管(HEMT)。与硅基超结晶体管相比，GaN基HEMT由于有较低的输入和输出电容(Ciss和Coss)，所以可以提供更低的开关损耗。由于米勒电容低，开关速度也更快，意味着可以使用更高的频率拓扑，从而减少组件的大小、重量和成本，特别是磁性器件。此外，与硅相比GaN还具备较低的抗压强度，减少了静态损耗，降低了设备的热量的优势。因此，器件尺寸可以更小，可以减少热管理的成本和规模(如散热器或风扇)，从而进一步降低系统的大小和成本。

氮化镓的商业化

到目前为止，GaN的可用性和使用都相对有限。在某种程度上，这是由于硅基超结晶体管将优点扩展到了性能可接受的程度。另一个因素可能也是最重要的因素：由于销量低导致其成本高。但这种情况正在改变，随着用户对功率的性能和效率的要求越来越高，设计者们除了采用GaN技术外别无选择，所以越来越多的使用和技术的进一步发展，规模经济开始使这些器件在商业化上更加可行，这将导致更多的使用同时进一步降低成本。

GaN功率晶体管有两种主要类型：需要负栅极电压(相对于漏极和源电位)来关闭的常开耗尽型器件，以及需要正栅极电压来开启的常关增强型器件。对于耗尽型GaN FETs，需要仔细考量的一个方面是起始相。在半桥式拓扑中，上下开关通常会造成短路，因此必须首先启动栅极控制电路，以对GaN FETs施加一个负偏压，以避免供电短路。

或者可以在cascode配置中将耗尽型GaN晶体管与低压Si MOSFET一起使用。在此方法中，GaN晶体管源极与Si MOSFET漏极连接，Si MOSFET源极连接到GaN晶体管栅极，如图1所示。当硅MOSFET栅极没有偏置时，其漏源电压(Vds)会对GaN晶体管栅极产生负偏，从而使器件处于关闭状态。GaN FETs可以在cascode配置中共同打包。

图1：Cascode使GaN的常关型器件有性能优势

另一种消除启动短路的方法是使用常关的增强型GaN HEMT。GaN Systems GS66516B是一种650V器件，它的工作原理是从低(0-6V)栅电压运行，从而简化了设计挑战。尽管栅极电压较低，但该器件能承受从-20V到+10V的栅极瞬变电压。该器件允许运行速度高达10MHz，并在其底部的冷却包中提供6个触点，非常适合现代电源应用。GS66516B可以处理高达10 A的漏源电流,开启25 mΩ电阻。

转换电路的设计

设计人员为确保器件正常运行必须使器件完全开启和完全关闭。为了实现这一点，需要一个匹配的栅极驱动，这在所有的功率器件中都很常见的。考虑的一个基本因素是确保器件在开启时栅极驱动快速地对晶体管的栅极电容进行充电，而不产生瞬时振荡或过载。同样的情况也适用于器件关闭：在桥式结构中直通短路是另一个潜在的问题，通过确保时滞时间可有效控制并使驱动电路的性能的一致，从而避免这个问题。

在为GaN器件设计驱动电路时，必须考虑允许的最大栅电压、栅极阈值电压和体二极管的压降。对于增强模GaN器件，如GS66516B，6V栅极源电压是MOSFET的一半，使turn-on/turn-off的电压和电流的产生变得简单得多。晶体管的本征体二极管的正向压降大约比Si MOSFETs高1伏。由于温度系数较低，对补偿电路的要求也比较简单。

GaN器件通常比MOSFETs快，这也成为RDS(ON)的原因。turn-on时间通常是4倍快，而turn-off时间是两倍快。在系统级上，尽管需要额外的驱动电路，但由于提高了动态性能，导致dV/dt速率可以超过100V/ns。在过渡相过程中极有可能创造直通的条件，将会影响系统的效率。

调整栅极驱动的负载电阻可以实现最快的相转换时间，而不会产生其他的损耗。通过优化这一电阻，减少了过冲和振荡，从而避免了误开 /关，也显著减少了电磁干扰。在实际应用中，为了进一步减少高频的LC振荡，设计者可能希望加入铁氧体器件与栅极串联，并考虑在栅极源路径上使用RC“减振器”。

图2和图3给出了GaN晶体管的turn-on/ turn-off 性能的图形化概述，并显示了可靠操作需要考虑的主题。

图2：开启GaN晶体管时需考虑的因素

(Source: GaN Systems)

图3：GaN晶体管的关断状态

(Source: GaN Systems)

对于低阈值电压的GaN器件，可以通过拆分驱动的pull-up / pull-down连接分别优化turn-on / turn-off的性能，从而允许插入一个分立电阻器。

图4：分别优化turn-on和turn-off电阻来最小化不良影响

除了优化稳定性外，补偿栅极turn-on / turn-off的电阻比值也将确保最高水平的驱动性能。turn-on电阻的范围为10到20Ω。如果数值太大会降低turn-on的转换速率，从而降低开关速度和增加功率损耗。如果转换速率过高，则会出现栅极振荡和带来损耗的米勒效应。为了在最小阻抗的情况下实现快速、稳健的关断，turn-off电阻应该大约为turn-on电阻的10%。

栅极驱动的选择

TI的LMG1205栅极驱动IC设计用于解决驱动GaN器件时出现的大部分问题，同时具有足够的灵活性，使设计人员能够对切换速度和其他参数进行设计调整，以适应所选的开关器件。LMG1205已经过优化可用于增强型GaN开关，并可用于同步buck、boost或半桥拓扑，在这些拓扑中，LMG1205将驱动高压侧和低压侧开关，每侧都有独立的输入，从而具有最大的灵活性。

低传输延迟(通常为35ns)匹配到1.5ns的通道之间，从而避免了直通短路问题并确保了高效率。LMG1205具有分栅输出的特性，使电流单独优化并可以拉电流1.2A / 灌电流 5.0A在快速转换过程中将防止不理想的启动。

有几种器件专门设计用于GaN的使用，是LMG120G的替代品。其中包括Silicon Labs Si827x系列，模拟器件ADuM4223A/B系列和Maxim MAX5048C。

但是，现有的低频MOSFET驱动可以替代专用的GaN器件，只要性能和特性满足GaN器件的需要。

除了选择正确的栅极驱动器和实现所需的驱动电路之外，高速电路的所有通常需考虑因素仍然适用。例如，必须注意布局，保持驱动在物理上靠近开关器件，以最小化杂散和不希望的耦合。在某些应用中，可使用kelvin-source连接来最小化共源电感。在其他应用中，使用电流隔离的电源轨可能是有益的。

总结

宽禁带器件如600V的GaN功率晶体管已经商业化，使所有的设计者都能获得性能上的好处。用GaN器件获得更快的速度意味着需要对基本的高频模拟有更好的理解。然而，为了充分利用新器件，设计者必须仔细选择驱动芯片，并通过相关电路的设计以确保正确的开关。