原來(lái)為硅MOSFET設(shè)計(jì)的DC-DC控制器能否用來(lái)驅(qū)動(dòng)GaNFET？

問(wèn)題

沒(méi)有專(zhuān)門(mén)用于驅(qū)動(dòng)GaNFET的控制器時(shí)，如何使用GaNFET設(shè)計(jì)四開(kāi)關(guān)降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器？

回答

眾所周知，GaNFET比較難驅(qū)動(dòng)，如果使用原本用于驅(qū)動(dòng)硅(Si) MOSFET的驅(qū)動(dòng)器，可能需要額外增加保護(hù)元件。適當(dāng)選擇正確的驅(qū)動(dòng)電壓和一些小型保護(hù)電路，可以為四開(kāi)關(guān)降壓-升壓控制器提供安全、一體化、高頻率GaN驅(qū)動(dòng)。

簡(jiǎn)介

在不斷追求減小電路板尺寸和提高效率的征途中，氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)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(xiàng)新興技術(shù)，有望進(jìn)一步提高功率、開(kāi)關(guān)速度以及降低開(kāi)關(guān)損耗。這些優(yōu)勢(shì)讓功率密度更高的解決方案成為可能。當(dāng)前市場(chǎng)上充斥著大量不同的Si MOSFET驅(qū)動(dòng)器，而新的GaN驅(qū)動(dòng)器和內(nèi)置GaN驅(qū)動(dòng)器的控制器還需要幾年才能面世。除了簡(jiǎn)單的專(zhuān)用GaNFET驅(qū)動(dòng)器（如LT8418）外，市場(chǎng)上還存在針對(duì)GaN的復(fù)雜降壓和升壓控制器（如LTC7890、LTC7891）。目前的四開(kāi)關(guān)降壓-升壓解決方案仍有些復(fù)雜，但驅(qū)動(dòng)GaNFET并不像看起來(lái)那么困難。利用一些簡(jiǎn)單的背景知識(shí)，可以通過(guò)調(diào)整針對(duì)Si MOSFET的控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)GaNFET。

LT8390A是一個(gè)很好的選擇。這是一款專(zhuān)業(yè)的2 MHz降壓-升壓控制器，死區(qū)時(shí)間(25 ns)非常短，參見(jiàn)圖1。該降壓-升壓方案的檢測(cè)電阻與電感串聯(lián)，且位于兩個(gè)熱環(huán)路的外部，這是降壓-升壓方案的一個(gè)新特性，讓控制器能夠在升壓和降壓工作區(qū)域（以及四開(kāi)關(guān)降壓-升壓）中以峰值電流控制模式運(yùn)行。本文深入探討了四開(kāi)關(guān)降壓-升壓GaNFET控制，但其原理同樣適用于簡(jiǎn)單的降壓或升壓控制器。

圖1 EVAL-LT8390A-AZ 24 V_OUT 5 A四開(kāi)關(guān)降壓-升壓GaN控制器原理圖

5V柵極驅(qū)動(dòng)器必不可少

對(duì)于高功率轉(zhuǎn)換，硅驅(qū)動(dòng)器通常工作在5 V以上，典型的硅MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器電壓范圍為7 V至10 V甚至更高。這對(duì)GaNFET提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)槠浣^對(duì)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PCB電感引起的振鈴如果超過(guò)最大柵極電壓，也可能導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。相關(guān)設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮布局，盡可能降低柵極和源極回路上的電感，才能安全有效地驅(qū)動(dòng)GaNFET。除了布局之外，實(shí)施器件級(jí)保護(hù)對(duì)于防止柵極發(fā)生災(zāi)難性過(guò)壓也很重要。

LT8390A提供專(zhuān)為較低柵極驅(qū)動(dòng)FET設(shè)計(jì)的5 V柵極驅(qū)動(dòng)器，因而是驅(qū)動(dòng)GaNFET的理想選擇。問(wèn)題是硅FET驅(qū)動(dòng)器通常缺乏針對(duì)意外過(guò)壓的保護(hù)。更具體地說(shuō)，硅柵極驅(qū)動(dòng)器上頂部FET的自舉電源不受調(diào)節(jié)，這意味著頂部柵極驅(qū)動(dòng)器很容易漂移到GaNFET的絕對(duì)最大電壓以上。圖2提供了解決此問(wèn)題的方案：將一個(gè)5.1 V齊納二極管（D5和D6）與自舉電容并聯(lián)，以將該電壓箝位在GaNFET的推薦驅(qū)動(dòng)電平，進(jìn)而確保柵極電壓始終在安全工作范圍內(nèi)。

圖2 帶有GaN控制保護(hù)元件的簡(jiǎn)化四開(kāi)關(guān)降壓-升壓GaN控制器原理圖

圖3 EVAL-LT8390A-AZ最大輸出電流與輸入電壓的關(guān)系，該板可在高頻下通過(guò)寬輸入范圍產(chǎn)生120 W功率

圖4 EVAL-LT8390A-AZ GaN控制器效率與DC2598A Si MOSFET控制器效率，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(hù)，添加一個(gè)10 Ω電阻與自舉二極管（D3和D4）串聯(lián)，以減小超快速和高功率開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)可能引起的任何振鈴。

死區(qū)時(shí)間和體二極管挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器中有一個(gè)續(xù)流二極管，它在關(guān)斷期間導(dǎo)通。同步轉(zhuǎn)換器用另一個(gè)開(kāi)關(guān)代替續(xù)流二極管，以減少二極管的正向?qū)〒p耗。然而，如果頂部和底部開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，就會(huì)發(fā)生故障，導(dǎo)致?lián)舸?。如果發(fā)生擊穿，則兩個(gè)FET都可能短路接地，進(jìn)而造成器件故障和其他災(zāi)難性后果。為了防止這種情況，控制器設(shè)置了死區(qū)時(shí)間，即頂部和底部開(kāi)關(guān)均不導(dǎo)通的時(shí)間段。典型同步DC-DC控制器實(shí)現(xiàn)的死區(qū)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)60 ns。體二極管在此期間導(dǎo)通，因此對(duì)于硅MOSFET來(lái)說(shuō)，該死區(qū)時(shí)間不會(huì)造成麻煩。

GaNFET沒(méi)有體二極管，導(dǎo)通和關(guān)斷的速度比硅MOSFET快得多。GaNFET可以在2 V至4 V的電壓下導(dǎo)通，而二極管的典型導(dǎo)通電壓為0.7 V。導(dǎo)通電壓乘以導(dǎo)通電流，可能導(dǎo)致死區(qū)時(shí)間內(nèi)的功率損耗增加近6倍。功率損耗的增加，加上較長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間，可能造成FET過(guò)熱和損壞。比較好的解決方案是盡量縮短死區(qū)時(shí)間。然而，原本用于硅FET的控制器是根據(jù)硅FET緩慢的通斷特性（數(shù)十納秒）來(lái)設(shè)計(jì)死區(qū)時(shí)間，為防止擊穿，死區(qū)時(shí)間通常較長(zhǎng)。

LT8390A設(shè)定的死區(qū)時(shí)間為25 ns，與市場(chǎng)上的許多同步控制器相比，該死區(qū)時(shí)間相對(duì)較短。該器件適用于高頻、高功率MOSFET控制，但對(duì)于GaNFET來(lái)說(shuō)仍然太長(zhǎng)。GaNFET的導(dǎo)通速度很快，僅幾納秒。因此，為了減少死區(qū)時(shí)間內(nèi)的額外導(dǎo)通損耗，建議添加一個(gè)續(xù)流肖特基二極管與同步GaNFET反向并聯(lián)，將導(dǎo)通路徑轉(zhuǎn)移到損耗較小的路徑。圖2中的D1和D2說(shuō)明了肖特基二極管應(yīng)放置在哪個(gè)FET上。D1跨接于同步降壓側(cè)FET，而D2跨接于同步升壓側(cè)FET。簡(jiǎn)單的降壓轉(zhuǎn)換器只需要放置D1。對(duì)于簡(jiǎn)單的升壓轉(zhuǎn)換器，需使用D2。

更高頻率、更高功率

LT8390A的開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)2 MHz。GaNFET的開(kāi)關(guān)損耗顯著低于Si MOSFET，開(kāi)關(guān)頻率和電壓更高時(shí)，其功率損耗與后者相近。EVAL-LT8390A-AZ GaNFET板將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置為2 MHz，以突出GaNFET在效率和尺寸方面的優(yōu)勢(shì)。

在室溫、24 V輸出下，GaNFET可產(chǎn)生120 W功率。該板尺寸與之前的LT8390A評(píng)估板DC2598A相當(dāng)，后者使用硅MOSFET，并提供12 V_OUT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(píng)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板的效率也高于Si MOSFET板。在電路板面積相似時(shí)，使用GaNFET可以以更高的電壓和功率運(yùn)行。

表1 與GaNFET兼容的DC-DC控制器

結(jié)論

如果沒(méi)有專(zhuān)門(mén)用于驅(qū)動(dòng)GaNFET的DC-DC控制器，我們?nèi)匀豢梢杂行У仳?qū)動(dòng)GaNFET。在電路板面積近似時(shí)，即便使用原本用于驅(qū)動(dòng)Si MOSFET的控制器，EVAL-LT8390A-AZ也能輕松輸出更大的功率并實(shí)現(xiàn)更高的效率。表1推薦了多款用于驅(qū)動(dòng)GaNFET的控制器。如果功率要求更高，例如并聯(lián)降壓-升壓GaNFET控制，請(qǐng)聯(lián)系廠家。通過(guò)研究提供5 V柵極驅(qū)動(dòng)器的控制器并整合額外的外部保護(hù)電路元件，我們可以安全地驅(qū)動(dòng)GaNFET，并探索電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)中的更多選擇。

作者簡(jiǎn)介

Kevin Thai是ADI公司應(yīng)用經(jīng)理，工作地點(diǎn)位于美國(guó)加利福尼亞州圣何塞。他任職于IPS Power Products Group，負(fù)責(zé)監(jiān)管隔離反激和保護(hù)產(chǎn)品系列，以及其他升壓、降壓-升壓和GaN控制器產(chǎn)品。他于2017年獲得美國(guó)加州理工大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，于2018年獲得美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的電氣工程碩士學(xué)位。