氮化鎵 （GaN） 是電力電子行業的熱門話題，因為它可以使得80Plus鈦電源、3.8 kW/L電動汽車（EV）車載充電器和電動汽車（EV）充電站等設計得以實施。在許多具體應用中，由于GaN 能夠驅動更高的功率密度和具有更高的效率，因此它取代了傳統的MOSFET晶體管。但由于GaN的電氣特性和它所能實現的性能，使得使用GaN元件進行設計時，要面臨與硅元件截然不同的一系列挑戰。

GaN場效應晶體管包括耗盡型（d-mode）、增強型（e-mode）、共源共柵型（cascode）等三種類型，并且每種都具有各自的柵極驅動和系統要求。

GaN FET的內部結構

每種GaN電源開關都需要適當的柵極驅動，否則在測試時就可能發生事故。GaN器件具有極度敏感的柵極，因為它們不是傳統意義上的MOSFET，而是高電子遷移率晶體管 （HEMTs）。高電子遷移率晶體管的截面如圖1所示，類似于MOSFET。GaN FET的電流不會流過整個襯底或緩沖層，而是流過一個二維的電子氣層。

圖1. GaN FET橫向結構截面圖

不當的柵極控制可能會導致GaN FET的絕緣層、勢壘或其他的結構性部分被擊穿。這不僅會造成GaN FET在對應系統條件下無法工作，還會對器件本身造成永久性損壞。這種靈敏度水平就需要用戶認真考察不同類型GaN器件的特性及其廣泛需求。HEMT也不具有傳統摻雜的FET結構，該結構會形成PN結，進而產生體二極管。這也意味著沒有內部二極管會在運行過程中被擊穿或產生如反向恢復等的不必要的過程。

柵極驅動和偏置電源

增強型GaN FET在外觀上與增強型硅FET極為類似。在柵極閾值電壓為6V的大多數工作條件下，1.5 V至1.8 V的正電壓為開啟電壓。但是大多增強型GaN器件的最大柵極閾值電壓為7V，一旦超過就會造成永久性傷害。

傳統的硅柵極驅動器可能無法提供適當的電壓穩定度或無法解決高共模瞬態抗擾度問題，因此許多設計人員選擇了諸如專為GaN FET設計的LMG1210-Q1的柵極驅動器。無論電源電壓如何，LMG1210-Q1只提供5V的柵極驅動電壓。傳統的柵極驅動器需要對柵極偏置電源進行非常嚴格的控制才能不會在GaN FET的柵極產生過壓。相比于增強型GaN FET，共源共柵型GaN FET則是一種在易用上的折衷方案，結構如圖2所示。

圖2.增強型與共源共柵耗盡型GaN FET示意圖

GaN FET是一種耗盡型器件，意味著該器件在通常情況下導通，關閉時需要在柵極施加一個負的閾值電壓。這對于電源開關來說是一個很大的問題，為此許多制造商在GaN FET封裝中串接一個MOSFET。GaN FET的柵極與硅FET的源極相連，在硅FET的柵極施加開啟與關閉柵極脈沖。

封裝內串接硅FET的優勢在于使用傳統的隔離式柵極驅動器（如UCC5350-Q1）驅動硅FET可以解決許多柵極驅動和電源偏置問題。共源共柵型GaN FET的最大缺點是FET的輸出電容較高，并且由于體二極管的存在，易受反向恢復的影響。硅FET的輸出電容在 GaN FET 的基礎上增加了 20%，這意味著與其他 GaN 解決方案相比，開關損耗增加了 20% 以上。而在反向導通過程中，硅場效應管的體二極管會導通電流，并在電壓極性翻轉時進行反向恢復。

硅FET的輸出電容在GaN FET原有的基礎上增加了20%，這意味著與其他GaN解決方案相比，開關損耗增加了20%以上。此外在反向導通過程中，硅FET的體二極管會導通電流，并在電壓極性翻轉時進行反向恢復。

為防止硅FET的雪崩擊穿，共源共柵型GaN FET需以70V/ns的轉換速率工作，這也增加了開關交疊損耗。盡管共源共柵型GaN FET可以簡化設計流程，但也限制了設計的可實現性。

通過集成可以得到更簡單的解決方案

將耗盡型GaN FET與柵極驅動器和內置偏置電源控制進行整合，可以解決增強型和共源共柵型GaN FET在設計上許多問題。例如，LMG3522R030-Q1是一款650V 30mΩ的GaN器件，集成了柵極驅動器和電源管理功能，可實現更高的功率密度和效率，同時降低相關風險和工程工作量。耗盡型GaN FET需要在封裝內串接硅FET，但與共源共柵型GaN FET的最大區別在于所集成的柵極驅動器可以直接驅動GaN FET的柵極，而硅FET則在上電時保持常閉狀態啟動開關。這種直接驅動可以解決共源共柵型GaN FET的主要問題，例如更高的輸出電容，反向恢復敏感性和串聯硅FET的雪崩擊穿。LMG3522R030-Q1中集成的柵極驅動器可實現很低的開關交疊損耗，使GaN FET能夠在高達2.2 MHz的開關頻率下工作，并消除使用錯誤柵極驅動器的風險。圖3顯示了使用集成了 LMG3522R030-Q1的GaN FET 的半橋設置。

圖3.使用UCC25800-Q1變壓器驅動器和兩個LMG3522R030-Q1 GaN FET的簡化GaN半橋配置

驅動器的集成可以縮小方案尺寸，實現功率密集型系統。集成降壓-升壓轉換器還意味著 LMG3522R030-Q1可以使用 9V至18V 非穩壓電源，從而顯著降低對偏置電源的要求。為實現系統解決方案的緊湊性且經濟性，可以將 LMG3522R030-Q1與UCC25800-Q1 等超低電磁干擾變壓器驅動器配合使用，可通過多個二次繞組實現開環的電感-電感-電容控制。使用高度集成的緊湊型偏置電源（如UCC14240-Q1 DC/DC 模塊）也可實現印制電路板內的超薄設計。

總結

結合適合柵極驅動器和偏執電源，GaN器件可以獲得150V/ns的開關速度，極小的開關損耗和更小的高功率系統磁性尺寸。集成化的GaN解決方案可以解決很多器件級的問題，從而使用戶可以專注于更廣泛的系統級的考量。