使用專為矽 MOSFET 設計的控制器驅動 GaN FET

在電力應用中，氮化鎵 (GaN) 元件有比傳統矽 MOSFET 元件更顯著的效能和效率優勢。能為各行各業滿足其需求：提供更高的密度、更快的切換速度、更佳的能效。但對於一些應用而言，有重大的設計挑戰。

在緊湊型 USB-C 充電器、電子車輛車載充電器、太陽能、資料中心等應用中，設計人員都期望能運用 GaN 半導體技術，使產品更小、更輕、更涼。

GaN 元件的切換速度很快，讓設計人員面臨多重挑戰，包括寄生電感、更精準的閘極控制需求、閘極漏電流、逆向傳導電壓壓降。

專用型 GaN 控制器是一些 GaN 架構應用的理想選擇。以 Analog Devices, Inc. 提供的一系列 GaN 功率控制器為例。設計人員可以運用簡單的專用型 GaN FET 驅動器，如具備智慧整合自舉開關的 LT8418 100 V 半橋 GaN 驅動器 (圖 1)。

圖 1：ADI 的專用型 LT8418 半橋 GaN 驅動器。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

此元件採用分離閘極驅動器，可精準控制 GaN FET 在開啟和關閉期間的迴轉率，進而抑制振鈴並增強 EMI 效能。還可利用晶圓級晶片尺寸封裝 (WLCSP)，將寄生電感降至最低。

此外，亦提供更複雜的控制器，如 LTC7890 和 LTC7891 (圖 2)，高效能雙降壓 DC/DC 切換式穩壓器控制器，適用於 GaN FET。

圖 2：ADI 適用於 GaN FET 的高效能 LTC7891 DC/DC 切換式穩壓器控制器。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

與矽 MOSFET 解決方案不同，LTC7890/LTC7891 元件不需要防護二極體或其他外部組件。其閘極驅動電壓可在 4 V 至 5.5 V 之間精準調整，以達到最佳效能並可使用其他 GaN FET 或邏輯級 MOSFET。

只能使用矽控制器時

一些關鍵組件 (如四開關升降壓控制器)，目前尚無專用型 GaN 控制器。只要謹慎作業，設計人員或許能夠採用為 MOSFET 設計的現有控制器驅動 GaN FET，以提高功率和效率。在 GaN 應用中使用矽專用控制器時，需要謹慎選擇組件和板級設計，還有可能涉及額外的電路。

在高功率轉換器中，傳統的閘極驅動器通常輸出電壓高於 5 V；通常介於 7 V 至 10 V 之間，有時甚至更高。這在驅動 GaN FET 時會有問題，因為 GaN FET 的最大閘極電壓額定值通常僅為 6 V。即使由於電壓尖波或 PCB 上的雜散電感引起的振鈴，只短暫超過此限制，也可能永久損壞 GaN 元件。

藉由選擇合適的控制器，並且密切注意 PCB 佈局，即可避免這些問題 (特別是在閘極和源極返迴路徑周圍)，以盡可能保持較低的電感值，並減少不必要的電壓過衝。

許多 MOSFET 驅動器採用非調節矽閘極驅動器，其電壓可能會漂移至高於 GaN FET 的絕對最大電壓。設計考量包括管理閘極驅動電壓、調節自舉電源、最佳化失效時間。

四開關升降壓元件必須使用 5 V 閘極控制器，以防止 GaN FET 意外過壓。加入保護元件 (例如箝位電路或閘極電壓限制器) 同等重要，以保護閘極免受意外過壓影響。

ADI 的 LT8390A 可以運用與自舉電容並聯的 5.1 V 齊納二極體，用作 5 V 閘極控制器 (圖 3)。可將閘極電壓箝位於建議的驅動位準內，因此仍處於安全的操作範圍。若要提供額外的保護，可將 10 Ω 電阻與自舉電路串聯，減少由非常快速和高功率的切換節點可能引起的任何振鈴。

圖 3：此簡化線路圖展示 LT8390A 四開關升降壓控制器，如何使用 5.1 V 齊納二極體 (D5 和 D6) 和 10 Ω 電阻，在驅動 GaN FET 時提供電壓保護。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

結論

矽 MOSFET 控制器 (如 ADI 的 LT8390A 升降壓控制器) 可以安全、有效地驅動 GaN FET，讓設計人員即使沒有專用型 DC-DC GaN 控制器，也能打造 GaN 應用。

如需深入瞭解，請觀看使用 GaN 進行設計：克服電源挑戰網路研討會。