【導讀】眾所周知

，GaNFET比較難驅動
，如果使用原本用於驅動矽(Si) MOSFET的驅動器
，可能需要額外增加保護元件。適當選擇正確的驅動電壓和一些小型保護電路，可以為四開關降壓-升壓控製器提供安全、一體化、高頻率GaN驅動。

問題

沒有專門用於驅動GaNFET的控製器時，如何使用GaNFET設計四開關降壓-升壓DC-DC轉換器？

回答

眾所周知，GaNFET比較難驅動，如果使用原本用於驅動矽(Si) MOSFET的驅動器，可能需要額外增加保護元件。適當選擇正確的驅動電壓和一些小型保護電路，可以為四開關降壓-升壓控製器提供安全、一體化、高頻率GaN驅動。

簡介

在不斷追求減小電路板尺寸和提高效率的征途中，氮化镓場效應晶體管(GaNFET)功率器件已成為破解目前難題的理想選擇。GaN是一項新興技術，有望進一步提高功率
、開關速度以及降低開關損耗。這些優勢讓功率密度更高的解決方案成為可能。當前市場上充斥著大量不同的Si MOSFET驅動器
，而新的GaN驅動器和內置GaN驅動器的控製器還需要幾年才能麵世。除了簡單的專用GaNFET驅動器（如LT8418）外，市場上還存在針對GaN的複雜降壓和升壓控製器（如LTC7890、LTC7891）。目前的四開關降壓-升壓解決方案仍有些複雜，但驅動GaNFET並不像看起來那麼困難。利用一些簡單的背景知識，可以通過調整針對Si MOSFET的控製器來驅動GaNFET。

LT8390A是一個很好的選擇。這是一款專業的2 MHz降壓-升壓控製器
，死區時間(25 ns)非常短，參見圖1。該降壓-升壓方案的檢測電阻與電感串聯，且位於兩個熱環路的外部
，這是降壓-升壓方案的一個新特性


，讓控製器能夠在升壓和降壓工作區域（以及四開關降壓-升壓）中以峰值電流控製模式運行。本文深入探討了四開關降壓-升壓GaNFET控製，但其原理同樣適用於簡單的降壓或升壓控製器。


圖1.EVAL-LT8390A-AZ 24 VOUT 5 A四開關降壓-升壓GaN控製器原理圖

5 V柵極驅動器必不可少

對於高功率轉換
，矽驅動器通常工作在5 V以上，典型的矽MOSFET柵極驅動器電壓範圍為7 V至10 V甚至更高。這對GaNFET提出了挑戰
，因為其絕對最大柵極電壓額定值通常為6 V。甚至柵極和源極回路上的雜散PCBdianganyinqidezhenlingruguochaoguozuidazhajidianya，yekenengdaozhizainanxingdeguzhang。xiangguanshejirenyuanbixuzaixikaolvbuju

，jinkenengjiangdizhajiheyuanjihuilushangdediangan，cainenganquanyouxiaodiqudongGaNFET。除了布局之外，實施器件級保護對於防止柵極發生災難性過壓也很重要。

LT8390A提供專為較低柵極驅動FET設計的5 V柵極驅動器，因而是驅動GaNFET的理想選擇。問題是矽FET驅動器通常缺乏針對意外過壓的保護。更具體地說，矽柵極驅動器上頂部FET的自舉電源不受調節
，這意味著頂部柵極驅動器很容易漂移到GaNFET的絕對最大電壓以上。圖2提供了解決此問題的方案：將一個5.1 V齊納二極管（D5和D6）與自舉電容並聯，以將該電壓箝位在GaNFET的推薦驅動電平，進而確保柵極電壓始終在安全工作範圍內。

圖2.帶有GaN控製保護元件的簡化四開關降壓-升壓GaN控製器原理圖

圖3.EVAL-LT8390A-AZ最大輸出電流與輸入電壓的關係，該板可在高頻下通過寬輸入範圍產生120 W功率

圖4.EVAL-LT8390A-AZ GaN控製器效率與DC2598A Si MOSFET控製器效率，

GaNFET在更高電壓下提供更高的效率

此外，為了提供更好的保護，添加一個10 Ω電阻與自舉二極管（D3和D4）串聯，以減小超快速和高功率開關節點可能引起的任何振鈴。

死區時間和體二極管挑戰

傳(chuan)統(tong)轉(zhuan)換(huan)器(qi)中(zhong)有(you)一(yi)個(ge)續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)，它(ta)在(zai)關(guan)斷(duan)期(qi)間(jian)導(dao)通(tong)。同(tong)步(bu)轉(zhuan)換(huan)器(qi)用(yong)另(ling)一(yi)個(ge)開(kai)關(guan)代(dai)替(ti)續(xu)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)，以(yi)減(jian)少(shao)二(er)極(ji)管(guan)的(de)正(zheng)向(xiang)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)。然(ran)而(er)，如(ru)果(guo)頂(ding)部(bu)和(he)底(di)部(bu)開(kai)關(guan)同(tong)時(shi)導(dao)通(tong)，就(jiu)會(hui)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)，導(dao)致(zhi)擊(ji)穿(chuan)。如(ru)果(guo)發(fa)生(sheng)擊(ji)穿(chuan)，則(ze)兩(liang)個(ge)FET都dou可ke能neng短duan路lu接jie地di，進jin而er造zao成cheng器qi件jian故gu障zhang和he其qi他ta災zai難nan性xing後hou果guo。為wei了le防fang止zhi這zhe種zhong情qing況kuang，控kong製zhi器qi設she置zhi了le死si區qu時shi間jian，即ji頂ding部bu和he底di部bu開kai關guan均jun不bu導dao通tong的de時shi間jian段duan。典dian型xing同tong步buDC-DC控製器實現的死區時間長達60 ns。體二極管在此期間導通


，因此對於矽MOSFET來說
，該死區時間不會造成麻煩。

GaNFET沒有體二極管，導通和關斷的速度比矽MOSFET快得多。GaNFET可以在2 V至4 V的電壓下導通，而二極管的典型導通電壓為0.7 V。導通電壓乘以導通電流
，可能導致死區時間內的功率損耗增加近6倍。功率損耗的增加
，加上較長的死區時間，可能造成FET過熱和損壞。比較好的解決方案是盡量縮短死區時間。然而，原本用於矽FET的控製器是根據矽FET緩慢的通斷特性（數十納秒）來設計死區時間，為防止擊穿，死區時間通常較長。

LT8390A設定的死區時間為25 ns，與市場上的許多同步控製器相比
，該死區時間相對較短。該器件適用於高頻

、高功率MOSFET控製，但對於GaNFET來說仍然太長。GaNFET的導通速度很快
，僅幾納秒。因此
，為了減少死區時間內的額外導通損耗，建議添加一個續流肖特基二極管與同步GaNFET反向並聯，將導通路徑轉移到損耗較小的路徑。圖2中的D1和D2說明了肖特基二極管應放置在哪個FET上。D1跨接於同步降壓側FET，而D2跨接於同步升壓側FET。簡單的降壓轉換器隻需要放置D1。對於簡單的升壓轉換器
，需使用D2。

更高頻率、更高功率

LT8390A的開關頻率高達2 MHz。GaNFET的開關損耗顯著低於Si MOSFET，開關頻率和電壓更高時，其功率損耗與後者相近。EVAL-LT8390A-AZ GaNFET板將開關頻率設置為2 MHz，以突出GaNFET在效率和尺寸方麵的優勢。

在室溫、24 V輸出下
，GaNFET可產生120 W功率。該板尺寸與之前的LT8390A評估板DC2598A相當
，後者使用矽MOSFET
，並提供12 VOUT和48 W功率。

圖3展示了2 MHz GaN降壓-升壓電路的最大功率能力
，而圖4比較了兩種評估板的效率。即使在電壓更高
、輸出功率高2.5倍的情況下，GaNFET板的效率也高於Si MOSFET板。在電路板麵積相似時，使用GaNFET可以以更高的電壓和功率運行。

表1.與GaNFET兼容的DC-DC控製器

結論

如果沒有專門用於驅動GaNFET的DC-DC控製器，我們仍然可以有效地驅動GaNFET。在電路板麵積近似時，即便使用原本用於驅動Si MOSFET的控製器，EVAL-LT8390A-AZ也能輕鬆輸出更大的功率並實現更高的效率。表1推薦了多款用於驅動GaNFET的控製器。如果功率要求更高，例如並聯降壓-升壓GaNFET控製，請聯係廠家。通過研究提供5 V柵極驅動器的控製器並整合額外的外部保護電路元件
，我們可以安全地驅動GaNFET
，並探索電源轉換設計中的更多選擇。作者：Kevin Thai，應用經理

（來源：ADI公司
，作者：Kevin Thai，應用經理）

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