適配MOSFET柵極驅動器以驅動GaN FETs

GaN FETs以其體積小、切換速度快、效率高及成本低等優勢，為電力電子產業帶來了革命性的變化。然而，GaN技術的快速發展有時超出了專門為GaN設計的柵極驅動器和控制器的發展。因此，電路設計師經常轉向為硅MOSFETs設計的通用柵極驅動器，這就需要仔細考慮多個因素以實現最佳性能。

GaN晶體管與Si MOSFETs的對比

與硅MOSFETs相比，eGaN FETs展現出不同的特性，這影響了它們與為后者設計的柵極驅動器的配合。

主要區別包括

柵極電壓等級較低：eGaN FETs需要5V的柵極電壓以開啟，0V以關閉，最大柵極電壓等級為6V。這要求柵極驅動器的電源設計相應地進行調整，以及驅動器或控制器的欠壓鎖定(UVLO)也應與5V柵極驅動相匹配。

更快的切換速度：與GaN相比，Si MOSFETs的RDS(on)·QG可能高出3倍以上，RDS(on)·QGD高出10倍。因此，開關節點可能出現75V/ns或更高的dv/dt，所以柵極驅動器需要對此類斜率免疫。更快的切換速度也使寄生電感更為顯著，因此設計中需要采用低電感布局技術。

更高的反向導電壓降：與硅MOSFETs不同，eGaN FETs缺乏寄生體二極管，但它們能在反向時導電，且電壓降更大，約2.5V，相較于MOSFETs的1V。這意味著在死區時間內，柵極驅動器可能會看到更高的負開關節點電壓。因此，柵極驅動器應包含引導過壓管理功能，并能夠在-5V的負開關節點電壓下工作。

MOSFET柵極驅動器的兼容性

在MOSFET柵極驅動器被設計來驅動GaN FETs之前，它必須滿足特定要求。

兼容5V供電：門驅動器必須兼容5V供電，不論是來自外部調節電源還是內部低壓差線性穩壓器（LDO）。

欠壓鎖定兼容性：UVLO需要與5V驅動階段兼容，典型的UVLO值應在低側驅動階段為3.75-4V，高側為3.25-3.75V。

抗dv/dt能力：門驅動器應具備超過最大預期dv/dt的抗干擾能力，優選超過50kV/μs。如果無法滿足此要求，可能需要降低切換速度，以犧牲轉換效率為代價。

自舉電源供應：許多MOSFET驅動器使用自舉電路為上部設備驅動器供電，多數情況下使用自舉二極管。適用于GaN FETs的只有那些使用外部自舉二極管的門驅動器，尤其是在建議中明確指出的。選擇包含自舉二極管后LDO的驅動器為佳。

死區時間能力：eGaN FETs卓越的切換特性允許在MHz范圍內操作同時保持高轉換效率。因此，即使低于10ns的最小死區時間也顯得非常有益。某些為MOSFET設計的控制器可能不支持如此低的死區時間，這將削弱GaN器件的優勢。在考慮用于GaN FETs的控制器時，應優先選擇那些具有低死區時間能力的。

GaN FET驅動器改造指南

為了確保與GaN FET的最高兼容性，一旦確定了合適的MOSFET驅動器，就可以實施以下步驟。以下是一些針對GaN FET驅動的一般建議。

自舉二極管（Bootstrap Diode）：選擇盡可能小尺寸、電容和電流等級的肖特基二極管（例如BAT54KFILM），并將其與限流電阻串聯，以保持驅動器電壓盡可能接近5V，同時在保護電路啟動時限制引導二極管的電流。如果驅動器在引導二極管后集成了5V的LDO，則不需要串聯電阻和后續的額外電路保護措施。

自舉鉗位（Bootstrap Clamp）：在引導電容器上并聯一個齊納二極管，可以在低側器件反向導通期間將電壓夾緊在6V以下，以防止過壓。齊納二極管和引導電容器應盡可能靠近彼此以及門驅動器。

柵極返回電阻（Gate Return Resistor）：為高側FET添加門返回電阻可以在低側GaN FET反向導通時，保護IC不受開關節點上的大負電壓影響。這個電阻的值還取決于上層器件門電路的關斷阻尼和定時需求。

反向導通鉗位（Reverse Conduction Clamp）：在半橋拓撲的低側并聯一個反向肖特基二極管，可以限制驅動器暴露于的負開關節點電壓的幅度。這種二極管的電壓等級應與低側GaN FET匹配，而電流等級可以遠低于低側FET，因為它只在死區時間內導通。

控制器集成電路和集成門極驅動器

控制器集成電路將許多功能集成到單一的IC中，包括門極驅動器。其中一些IC可能不允許為GaN設備提供最佳布局，因此理解設計折衷以實現最佳性能非常重要。

在設計使用GaN FETs的功率級時，始終遵循通用布局建議非常重要。考慮的順序仍然是共源電感（CSI），其次是功率和門環電感。這意味著功率級本質上被設計為一個塊，門信號連接到控制器IC。針對功率級塊的推薦布局的變化使得選擇一個可以適配控制器IC的最佳塊變得更加容易。在2相控制器的情況下，可能需要在兩種替代設計之間進行選擇。設計準則是優先考慮控制FET（開關），通常是硬開關，而不是同步整流器。例如，在降壓轉換器中，布局應優化以最小化高側FET的門環電感。對于升壓轉換器中的低側FET也是如此。

為了適配用于GaN FETs的MOSFET門極驅動器，設計師必須確保兼容性，實施推薦的修改，并優化布局以利用GaN技術的全部潛力。通過仔細注意這些產品參數和設計指南，設計師可以使用通用門極驅動器和控制器，為GaN基電源轉換器的成功大規模生產鋪平道路。