宽带隙-未来材料？
电源是几乎每个电子设计中的常见主题，有效管理和使用电源是现代面临的挑战之一。汽车变得越来越受欢迎。它们可以存储我们产生的不可思议的数据，并从大自然中获取能量。它们还可以应用于我们使用的每一个小型便携式设备，以帮助我们管理繁忙的日常生活。
任何电源解决方案的核心都是半导体开关器件。这些半导体开关器件一般都是硅做的，但是已经到了一个临界点，就是不太可能再进一步提高效率了，替代材料正在研发中。出现了所谓的宽带隙(WBG)材料，可以将DC/DC变换器的效率从85%提高到95%左右，或者将DC/交流逆变器的效率从96%提高到99%，这是一个显著的进步。
氮化镓(GaN)是首批商用WBG材料之一，通常用于高电子迁移率晶体管(HEMT)。与硅基超结晶体管相比，GaN基HEMT可以提供更低的开关损耗，因为其输入和输出电容(Ciss和Coss)更低。由于米勒电容低和开关速度更快，这意味着可以使用更高频率的拓扑结构，从而降低元件的尺寸、重量和成本，尤其是磁性器件。此外，与硅相比，GaN具有较低的抗压强度、减少的静态损耗和减少的设备热量的优点。因此，器件尺寸可以更小，热管理(例如散热器或风扇)的成本和规模可以减小，从而进一步减小系统的尺寸和成本。
氮化镓的商业化
到目前为止，GaN的可用性和使用相对有限。在某种程度上，这是因为硅基超结晶体管将其优势扩展到了可接受的性能水平。另一个因素可能是最重要的：低销量导致的高成本。然而，这种情况正在改变。随着用户对电源性能和效率的要求越来越高，设计人员别无选择，只能采用GaN技术。因此，随着越来越多的应用和技术的进一步发展，规模经济开始使这些设备在商业上更加可行，这将导致更多的应用和进一步降低成本。
有两种主要类型的GaN功率晶体管：需要负栅极电压(相对于漏极和源极电势)来关断的常开耗尽型器件，以及需要正栅极电压来导通的常关增强型器件。耗尽型GaN FETs需要仔细考虑的一个方面是初始阶段。在半桥拓扑中，上下开关通常会导致短路，因此必须首先启动栅极控制电路，向GaN FETs施加负偏置，以避免电源短路。
或者耗尽型GaN晶体管可以与低压Si MOSFET一起以共源共栅结构使用。在该方法中，GaN晶体管的源极连接到Si MOSFET的漏极，Si MOSFET的源极连接到GaN晶体管的栅极，如图1所示。当硅MOSFET的栅极不偏置时，其漏源电压(Vds)将使GaN晶体管的栅极负偏置，从而使器件处于截止状态。GaN FETs可以共射共基配置封装在一起。
图1:共源共栅为GaN的常关器件提供了性能优势。
消除启动短路的另一种方法是使用常关增强型GaN HEMT。GaN Systems GS66516B是一款650V器件，其工作原理是在低(0-6V)栅极电压下工作，从而简化了设计挑战。虽然栅极电压较低，但该器件可以承受-20V至10V的栅极瞬态电压。该器件允许运行速度高达10MHz，并在其底部冷却封装中提供6个触点，非常适合现代电源应用。GS66516B可以处理高达10 A的漏源电流，并开启25m电阻。
转换电路的设计
为了确保设备的正常运行，设计者必须完全打开和关闭设备。为此，需要一个匹配的栅极驱动器，这在所有功率器件中都很常见。需要考虑的一个基本因素是，确保器件的栅极驱动可以在晶体管导通时对其栅极电容快速充电，而不会出现瞬态振荡或过载。这同样适用于器件关断：在桥式结构中，直通短路是另一个潜在的问题，通过确保延迟时间能够得到有效控制，并且驱动电路的性能保持一致，就可以避免这一问题。
当设计GaN器件的驱动电路时，必须考虑允许的最大栅极电压、栅极阈值电压和体二极管的压降。对于增强型GaN器件，如GS66516B，6V栅极-源极电压是MOSFET的一半，这使得导通/关断电压和电流的产生更加简单。晶体管的本征体二极管的正向电压降比SIMOSFET的高约1伏。由于温度系数低，对补偿电路的要求相对简单。
GaN器件通常比MOSFETs快，这也是RDS(ON)的原因。开启时间通常快4倍，而关闭时间快2倍。在系统层面，虽然需要额外的驱动电路，但由于动态性能的提升，dV/dt速率可以超过100V/ns。在过渡阶段的过程中，很可能会产生直通情况，从而影响系统的效率。
调整栅极驱动器的负载电阻可以实现最快的相位转换时间，而不会有其他损耗。通过优化该电阻，可以减少过冲和振荡，从而避免错误的开/关，并显著降低电磁干扰。在实践中，为了进一步减少高频LC振荡，设计者可能希望增加与门电路串联的铁氧体器件，并考虑使用RC 减震器在栅极源极路径中。
图2和图3给出了GaN晶体管的导通/关断性能的图形概览，并示出了为了可靠操作而要考虑的主题。
图2:打开GaN晶体管时需要考虑的因素
(来源：GaN Systems)
图3:3:GaN晶体管的关断状态
(来源：GaN Systems)
对于具有低阈值电压的GaN器件，可以通过分离驱动上拉/下拉连接来优化导通/关断性能，从而允许插入分立电阻。
图4:优化导通和关断电阻，将不利影响降至最低。
除了优化稳定性，补偿栅极导通/关断的电阻比也将确保最高水平的驱动性能。导通电阻范围为10至20 。如果该值过大，会降低导通转换率，从而降低开关速度，增加功率损耗。如果转换率过高，会出现门振荡和有损耗的米勒效应。为了以最小阻抗实现快速、稳定的关断，关断电阻应为导通电阻的10%左右。
栅极驱动的选择
TI s LMG1205栅极驱动器IC旨在解决驱动GaN器件的大多数问题，设计人员可以灵活地调整开关速度和其他参数，以适应所选的开关器件。LMG1205针对增强型GaN开关进行了优化，可用于同步降压、升压或半桥拓扑结构。在这些拓扑中，LMG1205将驱动高压侧和低压侧开关，每侧都有独立的输入，因此具有最大的灵活性。
1.5ns的通道之间匹配低传输延迟(一般为35ns)，避免了直通短路的问题，保证了高效率。LMG1205具有分栅输出的特性，使电流可以独立优化，1.2A的吸电流5.0A的吸电流可以防止快速转换过程中的不良启动。
有几种器件是专门为GaN的使用而设计的，它们是LMG120G的替代品。包括Silicon Labs Si827x系列、ADI公司ADuM4223A/B系列和Maxim MAX5048C。
但是，现有的低频MOSFET驱动器可以取代专用的GaN器件，只要性能和特性满足GaN器件的需要。
除了选择正确的栅极驱动器和所需的驱动电路之外，高速电路的所有常见考虑因素仍然适用。例如，必须注意布局，使驱动器物理上靠近开关器件，以最大限度地减少杂散和不必要的耦合。在某些应用中，开尔文源连接可用于最小化共源电感。在其它应用中，使用电流隔离供电轨可能会有好处。
摘要
600V GaN功率晶体管等宽带隙器件已经商业化，使所有设计者都能获得性能上的好处。利用GaN器件获得更快的速度意味着更好地理解基本高频仿真。然而，为了充分利用新器件，设计人员必须仔细选择驱动芯片，并通过相关电路的设计确保正确的开关。
标签：器件GaN性能