節能舉措

，如企業服務器和雲數據中心電源的“80+ Titianium”
，以及外部電源適配器的歐盟行為準則(CoC) Tier 2，正使電源設計人員轉而選擇GaN開關技術，以實現更高能效的設計。由於GaN並不是現有矽技術的直接替代品
，為了獲得最大的優勢，驅動器和布板必須與新技術相匹配。

 

對比GaN和矽開關

GaN是高速器件，因其電容很低，且可在沒有反向恢複電荷的情況下反向導電(第三象限)
，這zhe在zai硬ying開kai關guan應ying用yong中zhong是shi個ge真zhen正zheng的de優you勢shi。因yin此ci，損sun耗hao較jiao低di，但dan也ye有you一yi些xie缺que點dian。一yi是shi器qi件jian沒mei有you雪xue崩beng電dian壓ya額e定ding值zhi
，門men極ji驅qu動dong相xiang當dang關guan鍵jian，絕jue對dui最zui大da額e定ding電dian壓ya典dian型xing值zhi僅jin為wei+/-10V，而Si器件為+/-20V。另外，增強型(E-mode)GaN通常是關斷的器件，其1.5V左右的門極導通閾值也低於Si的約3.5V。關鍵的是，能否實現低損耗、高功率密度和高可靠性的預期優勢
，取決於具有強固保護特性的優化門極驅動電路。

 

GaN門極驅動對性能至關重要

 

為了充分增強，E-mode GaN開關需要驅動到約5V，但不很高；除(chu)了(le)保(bao)持(chi)在(zai)絕(jue)對(dui)最(zui)大(da)限(xian)值(zhi)內(nei)，門(men)極(ji)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)功(gong)耗(hao)隨(sui)門(men)極(ji)驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)和(he)頻(pin)率(lv)的(de)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)。在(zai)器(qi)件(jian)電(dian)容(rong)和(he)門(men)極(ji)電(dian)荷(he)較(jiao)低(di)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，平(ping)均(jun)驅(qu)動(dong)功(gong)率(lv)可(ke)以(yi)很(hen)低(di)。但(dan)由(you)於(yu)開(kai)關(guan)是(shi)納(na)秒(miao)級(ji)的(de)
，峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)可(ke)以(yi)很(hen)高(gao)，為(wei)安(an)培(pei)級(ji)，因(yin)此(ci)驅(qu)動(dong)電(dian)路(lu)需(xu)要(yao)匹(pi)配(pei)這(zhe)速(su)度(du)
，但(dan)仍(reng)然(ran)能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)大(da)量(liang)的(de)電(dian)流(liu)。

 

理論上，GaN器件在VGS= 0安全關斷

，但是如果沒有從驅動器返回到開關源的閉合“開爾文”連接，則所得到的連接電感在器件開關時引起電壓尖峰(圖1)。這(zhe)與(yu)門(men)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)相(xiang)對(dui)，最(zui)佳(jia)地(di)降(jiang)低(di)驅(qu)動(dong)電(dian)壓(ya)裕(yu)量(liang)，和(he)最(zui)壞(huai)的(de)導(dao)致(zhi)寄(ji)生(sheng)導(dao)通(tong)從(cong)而(er)具(ju)有(you)潛(qian)在(zai)的(de)破(po)壞(huai)性(xing)結(jie)果(guo)。門(men)極(ji)可(ke)負(fu)驅(qu)動(dong)以(yi)抵(di)消(xiao)效(xiao)應(ying)，但(dan)是(shi)通(tong)過(guo)謹(jin)慎(shen)的(de)布(bu)局(ju)和(he)便(bian)於(yu)開(kai)爾(er)文(wen)連(lian)接(jie)的(de)驅(qu)動(dong)器(qi)可(ke)以(yi)避(bi)免(mian)這(zhe)種(zhong)複(fu)雜(za)性(xing)。“Miller”電容可引起類似的效應，但對於GaN
，這可忽略不計。

 

圖1：源極和門極驅動共有的電感會引起電壓瞬變

 

高邊門極驅動的挑戰

一些轉換拓撲采用‘高邊’開關，其門極驅動器返回是高壓開關節點。驅動器必須電平移位
，並且不受從輸出到輸入的dv/dt影響，對於GaN，dv/dt可能是100 V/ns以上。此外，在這種情況下，需要很好的控製通過驅動器的傳播延遲，以便匹配低邊和高邊信號，避免發生災難性的“擊穿”，同(tong)時(shi)盡(jin)可(ke)能(neng)保(bao)持(chi)最(zui)小(xiao)的(de)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)。甚(shen)至(zhi)低(di)邊(bian)驅(qu)動(dong)器(qi)有(you)時(shi)也(ye)需(xu)要(yao)信(xin)號(hao)和(he)接(jie)地(di)電(dian)源(yuan)之(zhi)間(jian)一(yi)定(ding)的(de)電(dian)平(ping)移(yi)位(wei)，以(yi)避(bi)免(mian)從(cong)驅(qu)動(dong)器(qi)輸(shu)出(chu)級(ji)到(dao)輸(shu)入(ru)端(duan)的(de)噪(zao)聲(sheng)耦(ou)合(he)，這(zhe)耦(ou)合(he)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)異(yi)常(chang)運(yun)行(xing)或(huo)最(zui)壞(huai)的(de)設(she)備(bei)故(gu)障(zhang)。

 

有源鉗位反激應用示例

 

圖2：GaN有源鉗位反激轉換器概覽

 

圖2顯示安森美半導體的NCP51820 GaN門極驅動器及NCP1568有源鉗位反激控製器。該驅動器采用具有調節的+5.2V幅值的門極驅動器用於高邊和低邊輸出最佳增強型GaN。其高邊共模電壓範圍-3.5V到+650V，低邊共模電壓範圍為-3.5至+3.5V，dv/dt抗擾度200 V/ns，caiyonglexianjindejiegelijishu。ruguozaidibianqijianyuanjiyouyigedianliujiancedianzuqi，dibianqudongdianpingyiweishikaierwenlianjiegengrongyi。qudongboxingdeshangshenghexiajiangshijianwei1ns

，最大傳播延遲為50 ns，且提供獨立的源汲輸出，以定製導通和關斷邊沿率，達到最佳的EMI/能效。

 

LLC轉換器應用示例

該LLC轉換器(圖3)的一個特點是驅動波形為50%的占空比。因此，控製死區時間以不發生重疊至關重要。

 

圖3：基於GaN的LLC轉換器概覽

 

所示的安森美半導體NCP51820驅動器確保門極驅動不重疊。該器件還含一個使能輸入和全麵的保護，防止電源欠壓和過溫。它采用PQFN

、4×4mm 的15引線封裝，使短、低電感連接到GaN器件的門極。

 

布板至關重要

在所有應用中，布板是成功的關鍵。門驅動回路必須最小化和匹配，驅動器和GaN器件應置於PCB同側

，並使用接地/電源麵。

 

對於GaN開關
，需要仔細設計其門極驅動電路，以實現更高能效、功率密度及可靠性。此外，謹慎的布板，使用專用驅動器如安森美半導體的NCP51820
，及針對高低邊驅動器的一係列特性，確保GaN器件以最佳性能工作。