氮化镓(GaN)是电力电子行业的热门话题，因为它可以使得80Plus钛电源、3.8kW/L电动汽车(EV)车载充电器和EV充电站等设计得以实现。在许多应用中，GaN能够提高功率密度和效率，因此它取代了传统的硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。但由于GaN的电气特性和它所能实现的性能，使用GaN进行设计面临与硅不同的一系列挑战。
不同类型的GaN FET具有不同的器件结构。GaN FET包括耗尽型(d-mode)、增强型(e-mode)、共源共栅型(cascode)等三种类型，每种类型都具有各自的栅极驱动器和系统要求。本文将介绍使用不同类型的GaN FET进行设计来提高系统设计的功率密度所需考虑的最重要因素。同时还将分析集成栅极驱动器和电压供应调节等功能可以如何显著简化整体设计。
GaN FET剖析
每种GaN电源开关都需要配备合适的栅极驱动器，否则在工作台测试时可能发生事故。GaN器件具有超级敏感的栅极，因为它们不是传统意义上的MOSFET，而是高电子迁移率晶体管(HEMT)。HEMT的截面如图1所示，类似于MOSFET，但电流不会流过整个衬底或缓冲层，而是流过一个二维的电子气层。
图1：GaN FET横向结构截面图
不当的栅极控制可能会导致GaN FET的绝缘层、势垒或其他结构性部分被击穿。这不仅会造成GaN FET在对应系统条件下无法工作，还可能会对器件本身造成永久性损坏。这种敏感度取决于不同类型的GaN器件及其广泛需求。HEMT也不具有传统掺杂的FET结构。该结构会形成PN结，进而产生体二极管。这意味着内部二极管不会在运行过程中被击穿或产生反向恢复等不必要行为。
栅极驱动器和偏置电源注意事项
增强型GaN FET在外观上与增强型硅FET非常类似，这点您可能已经有所体会。在栅极阈值电压为6V的工作条件下，1.5V至1.8V的正电压为FET开启电压。但是大多增强型GaN器件的最大栅极阈值电压为7V，一旦超过很可能会造成永久性损坏。
由于传统的硅栅极驱动器在基于GaN的设计中可能无法提供适当的电压调节功能或无法解决高共模瞬态抗扰度问题，许多设计人员会选择TI专为GaN FET设计的LMG1210-Q1等栅极驱动器。无论电源电压如何，该器件都可提供5V的栅极驱动电压。传统的栅极驱动器需要非常严格地调节栅极驱动器的偏置电源，以防GaN FET过载。相比于增强型GaN FET，共源共栅型GaN FET是一种牺牲易用性的折衷方案，结构如图2所示。
图2：增强型与共源共栅耗尽型GaN FET示意图
GaN FET是一种耗尽型器件，意味着该器件在通常情况下导通、关断时需要在栅极施加负的阈值电压。这对于电源开关来说是一个很大的问题，为此大多数制造商在GaN FET封装中串接了一个30V硅FET。GaN FET的栅极与硅FET的源极相连，在硅FET的栅极施加开启与关闭栅极脉冲。
封装内串接硅FET的主要优势在于，使用传统的隔离式栅极驱动器（如UCC5350-Q1）驱动硅FET可以解决许多栅极驱动器和偏置电源问题。共源共栅型GaN FET的主要缺点是FET的输出电容较高，并且由于体二极管的存在，易受反向恢复的影响。硅FET的输出电容加上GaN FET的输出电容，使FET的输出电容增加了20%，这意味着与其他GaN解决方案相比，开关损耗增加了20%以上。此外，在反向导通过程中，硅FET的体二极管会导通电流，并在电压极性翻转时进行反向恢复。
为防止硅FET的雪崩击穿，共源共栅型GaN FET需以70V/ns（其他GaN解决方案为150V/ns）的压摆率工作，这增加了开关交叠损耗。尽管共源共栅型GaN FET可以简化设计，但会限制可实现的性能。
通过集成实现更简单的解决方案
将栅极驱动器和内置偏置电源调节与耗尽型GaN FET进行集成，可以解决增强型和共源共栅型GaN FET设计上的许多难题。例如，LMG3522R030-Q1是一款650V 30mΩ的GaN器件，集成了栅极驱动器和电源管理功能，可实现更高的功率密度和效率，同时降低相关风险和工程工作量。耗尽型GaN FET需要在封装内串接硅FET。但与共源共栅型GaN FET的主要区别在于，所集成的栅极驱动器可以直接驱动GaN FET的栅极，而硅FET则在上电时保持常闭状态启动开关。这种直接驱动可以解决共源共栅型GaN FET的主要问题，例如较高的输出电容、反向恢复敏感性和串联硅FET的雪崩击穿。LMG3522R030-Q1中集成的栅极驱动器可实现较低的开关交叠损耗，使GaN FET能够在高达2.2MHz的开关频率下工作，并消除GaN FET使用错误栅极驱动器的风险。图3展示了使用了集成LMG3522R030-Q1 GaN FET的半桥配置。
图3：使用UCC25800-Q1变压器驱动器和两个LMG3522R030-Q1 GaN FET的简化GaN半桥配置
集成驱动器可减小解决方案尺寸，实现功率密集型系统。同时，集成降压/升压转换器意味着LMG3522R030-Q1可在9V至18V的非稳压电源下工作，从而显著降低对偏置电源的要求。为实现紧凑且经济的系统解决方案，可以将LMG3522R030-Q1与UCC25800-Q1等超低电磁干扰变压器驱动器配合使用，通过多个二次绕组实现开环的电感-电感-电容控制。或者，使用高度集成的紧凑型偏置电源（如UCC14240-Q1直流/直流模块），可为器件进行本地供电，从而实现基于小尺寸印刷电路板的超薄设计。
结语
通过使用合适的栅极驱动器和偏置电源，GaN器件可帮助您实现系统级优势，如150V/ns的开关速度、较低的开关损耗以及较小的高功率系统磁性尺寸，适用于工业和汽车应用。集成GaN解决方案可以简化许多器件级挑战，从而使您可以专注于更广泛的系统。