氮化鎵（GaN）器件具有類似硅的電性能，可以由硅MOSFET設計中使用的許多現成的驅動產品驅動。
GaN具有低RDSon/VDSon、高電子遷移率和其他特性，從而實現更高效的設計。更高的開關頻率允許設計師在效率和開關速度之間進行權衡，以實現應用優化設計。這些特性使解決方案更高效，運行更冷，體積更小四倍，成本比同等的基于Si的設計低10%-20%（圖1）。
GaN的最佳應用是工作電壓在48 V到600 V之間的應用，這使得它非常適合提供更緊湊、更冷的運行和更經濟高效的硅基MOSFET替代品。
圖1：氮化鎵晶體管可以實現更高效、更冷的運行、緊湊和成本效率更高的設計
▎驅動要求
GaN的電學特性不同于硅器件。為了確保在低電壓下啟動整流器時，柵極和柵極的阻抗都很低，所以在低電壓下啟動整流器時必須小心。
矛盾的是，這些器件的開關速度可能太快，這可能會導致振鈴，并將不需要的高頻注入到它們所驅動的電路中。它們的高dV/dt可以通過在“硬”切換轉換期間創建直通來降低效率。幸運的是，這是可以控制的。業界已經開發出幾種方法來“規范化”GaN器件驅動特性：
增強模式柵極注入晶體管（GIT）：在GaN-GIT上添加一個p摻雜柵極，使其起到常閉器件的作用（圖2）。這允許精確控制開/關開關速度，并可并聯連接，以支持更高電流的應用。在消極方面，它們需要一個特殊的驅動電路，具有非常高的柵極電流要求，這會降低效率。
圖2：增強模式GIT
共源共柵GaN：這種方法通過將一個自然“關閉”的低電壓、低RDSon硅MOSFET與耗盡型GaN HEMT晶體管（圖3）串聯在一起，來創建一個疊層共源共柵。這種復合器件可以由用于硅功率器件的相同柵極驅動器驅動，但有缺點。例如，性能受到硅MOSFET反向恢復和雪崩特性的限制，無法調整其開關速度。配置為并聯運行可能很困難，需要外部噪聲阻尼，通常是鐵氧體磁珠。
圖3：GaN晶體管與共源共柵結構的硅MOSFET共封裝
帶共封裝驅動器的耗盡模式器件：幾家公司通過將耗盡模式GaN器件與定制硅驅動器共封裝，使其更易于使用，該驅動器允許器件模擬傳統硅功率MOSFET的特性。這使得在封裝中集成過流和過溫保護成為可能，節省了空間和成本。但優勢是以犧牲設計靈活性為代價的，因為驅動器值無法針對特定應用進行優化。此外，外部驅動器只允許調整開關的開啟時間，使并聯變得困難。
單片GaN+集成驅動器：這種方法將GaN功率器件和配套驅動電路集成在同一基板上。片上驅動器可以設計為向功率晶體管的柵極提供接近理想的信號電平，同時提供一個“硅友好”接口，該接口可與大多數MOSFET驅動器器件一起工作，并減少內部寄生。雖然這簡化了設計，但它需要外部無源組件來實現功能解決方案。芯片驅動簡單，沒有OTP/OCP或其他保護電路。和具有共同封裝驅動器的器件一樣，只有它們的開啟上升時間可以控制，并且很難配置為并行操作。
▎增強模式（E-mode ）GaN
E-mode GaN解決了與早期GaN基功率器件相關的許多問題。該方法基于HEMT結構，該結構形成一個電壓驅動且常關的固有E-mode 器件。
分立E-mode GaN功率器件的電氣特性類似于設計人員熟悉的硅MOSFET，包括：
• 與許多硅MOSFET驅動器兼容。
• 設計靈活性可與分立硅MOSFET媲美。
• 通過調整柵極電阻（RG）可以優化轉換速率（開和關）。
• 易于并行操作的配置。
• 類硅特性，允許使用通用技術設計和測試應用。
這些是驅動GaN器件最常用的方法。由于GaN器件的行為與硅不完全相同，因此每種方法都必須加以考慮。
GaN Systems基于這些固有特性開發了先進的E-mode 產品，其器件結構堅固，超過了AEC-Q101和JEDEC可靠性標準，并符合JC-70和FIT標準。諸如堅固的柵極結構，可接受-20 V/+10 V的輸入范圍，可與單極（0 V/+6 V）和雙極驅動電平（-3 V/+6 V和-6 V/+6 V）一起工作，同時提供強大的操作裕度，使這些產品與許多商用驅動IC兼容，這些IC用于電橋中基于MOSFET的設計，電源轉換器和其他電源應用。
盡管現代E-mode GaN器件的使用要簡單得多，但它們有幾個不同于硅器件的獨特特性：
• QG低于同類硅器件，提供更低的驅動損耗和更快的開關速度。
• 通常需要+5 V/+6 V柵極偏置才能開啟的功率晶體管具有更高的增益和更低的VGS。
• 較低的柵極閾值電壓VG(th)，通常為1.5 V。
▎驅動E-mode GaN晶體管
看看E-mode GaN器件在選擇和微調用于實際應用的柵極驅動電路方面的獨特特性的實際意義。E-mode GaN設備驅動程序的主要設計目標：
• 為開關提供正確的開啟/關閉波形以及所需的電壓（RDS(on)和IDS(max)是VGS的函數）。
• 通過以下方式最大化切換性能：
o 為GaN FET提供可靠、干凈的開關波形。
o 提供干凈的柵極源和匯電流（IGS）。.
• 控制功率器件的轉換速率以降低EMC（GaN FET的di/dt，dv/dt可以通過改變RG 來控制）。
• 實現精確的死區時間控制，將開關損耗降至最低。
• 驅動電壓注意事項。
GaN Systems E-mode晶體管可以使用僅正極VGS驅動器運行，該驅動器可提供VGS(OFF) = 0 V/VGS(on) = 6 V，這使它們成為低壓或低功率應用的理想選擇，或者在死區時間損耗最小化至關重要的場合。
當優先考慮高抗噪性和降低開關損耗時，首選提供VGS(OFF)的驅動配置。可以使用對稱的+/-6 V或+6 V/-3 V驅動輸入。
▎利用負驅動電壓的影響進行系統權衡
應用負VDR(OFF)可降低關閉E型GaN晶體管所需的能量，隨著工作電流的增加，這一點變得更加明顯。非負驅動信號可用于低功率應用，而不會產生顯著的開關損耗，但在大電流應用中，使用負VDR(OFF)關閉柵極變得至關重要。應用負VDR(OFF)可以在更高功率下提高功率級的效率，但必須與精確的死區時間控制結合使用，以實現最佳的系統效率。
▎GaN器件中死區時間損耗的管理
GaN HEMT沒有體二極管。該器件的反向傳導壓降與VGS(OFF)成比例增加。在死區時間內，2DEG的行為就像一個二極管，VF = VTH(GD)+ VGS(OFF)+ ISD* RSD(ON)。
這些現象導致死區時間損失隨著VGS(OFF)的增加而增加。如果驅動信號的死區時間低于某個閾值，設備在部分開關時間內不會處于零伏，開關電路電容器中的能量將在通道中消散。
隨著零電壓開關（ZVS）周期的縮短，器件的損耗急劇增加。因此，設計者必須推導出足夠長的死區時間來防止零電壓開關損耗，足夠短的死區時間來保持GaN器件的高效運行。
▎帶外部RG的開關速度控制
GaN器件的開關速度非常快，其輸出波形（dv/dt）的急劇上升和下降邊緣會產生不必要的高振幅諧波，從而產生EMI問題。與MOSFET一樣，E-mode GaN晶體管的開關速度（on和off）可以通過調整與器件柵極（RG）串聯的電阻來控制。這項技術對系統EMC優化很有價值。其他GaN實現，如集成驅動器和共源共柵配置，隔離了該柵極，從而將RG開關速度控制限制在循環的開啟部分，或使其不可能。
▎并聯的柵極驅動考慮因素
GaN Systems E-mode器件的并聯操作非常簡單，但必須通過添加分布式柵極電阻器（R3/R5=1-2Ω）和源極電阻器（R6/R7=1-2Ω）來防止并聯器件的柵極之間的相互作用或柵極振鈴。
這些指導原則在一個實驗中得到了驗證，其中四個GaN Systems GS6651T器件以并聯配置運行，四個并聯GS6651T在橋接電路的另一側以自由輪模式運行。
對于這些測試，柵極電阻設置為RG_ON=4.55 Ω, RG_OFF = 1.25 Ω。測試電路的電源電壓（VBUS）為400 V，柵極驅動輸入(VGS) = +6.8 V/-5 V。當電路從空閑狀態硬切換到全額定電流測量驅動電流時，產生了干凈的波形(IDS_ON=231 A, IDS_OFF=240 A with ~200 V VDS margin)。
▎結論
E-mode GaN晶體管具有高效率和高性能，以及對硅友好的電氣特性，使得使用許多與基于MOSFET的設計相同的驅動器，可以很容易地將它們整合到各種應用中。
（來源：PSD功率系統設計 | 作者：GaN Systems Lucas Lu）
