GaN損耗低 直接驅動優勢多
在設計開關電源時，主要品質因數(FOM)包括成本、尺寸和效率。將這三個FOM結合在一起，就需要綜合考慮多種因素。例如，提高開關效率雖然可以減少磁性元件的尺寸和成本，但也會增加磁性元件的損耗和電源裝置的開關損耗。由於GaN的截止電容較低且無二極管反向恢復，因此與MOSFET和IGBT相比，GaN HEMT有顯著降低損耗的能力。正常情況下，MOSFET/IGBT驅動器會提供合適的開啟和關閉電流以支持輸入電容。驅動器輸出和裝置閘極之間的外部電阻能控制開關速度，並抑制功率和閘極迴路振鈴。隨著GaN的開關速度增加，外部零組件會增加過多的寄生電感(Parasitic Inductance)來控制開關。藉由GaN裝置將驅動器整合到封裝中，可以大幅減少寄生電感，降低開關損耗，並最佳化驅動控制。
GaN中的本體二維電子氣(2-DEG)層可以在源極和汲極之間使裝置在零閘-源電壓下導通。為安全起見，當偏壓功率不可用時，必須關閉開關電源供應器使用的功率裝置後才能斷開輸入和輸出的連接。為了模擬增強型裝置，將低壓MOSFET與GaN源串聯。圖1顯示了實現這一點的兩種不同配置：串接和直接驅動。
接下來將比較功耗，並描述與每種方法相關的注意事項。在串接配置中，GaN閘極接地，並驅動MOSFET閘極以控制GaN裝置。由於MOSFET是矽元件，許多閘極驅動器都可輕鬆獲得。然而，由於GaN閘-源極電容(CgS)和MOSFET Coss必須在GaN裝置關閉前充電達到GaN臨界值電壓，因此這種配置顯示出更高的組合Coss。
在直接驅動配置中，MOSFET是打開的，且由接地電壓和負電壓(VNEG)之間的閘極驅動器驅動的GaN閘極打開/關閉組合裝置。此外，MOSFET Coss不需要充電。關閉GaN Cgs的電流來自於較低的偏壓電源。較低的供應電壓可提供相同的GaN閘-源極電荷(Qgs)，以降低功耗。在開關頻率較高的情況下，這些功率差異會大幅增加。反向恢復Qrr損耗在串接配置中發揮作用。這是因為在第三象限傳導中，MOSFET呈關閉狀態，並通過內接二極體傳導。由於負載電流反向流動，MOSFET中出現儲存電荷。克服反向恢復電荷的電流來自高壓電源，會導致大量損耗。
然而，在直接驅動配置中，MOSFET始終處於開啟狀態，而其寄生二極體因為較低的RDSon而不開通；因此，在直接驅動配置中不存在與Qrr相關的功率損耗。
在串接配置中，關閉模式下GaN和MOSFET之間的電壓分布會使得MOSFET因高GaN汲-源極電容(Cds)而突崩。
一種解決方案是在MOSFET的汲極和源極並聯的情況下增加一個電容器。然而，這種方法只適用於柔性開關應用，在硬性開關應用中會產生高功耗。
由於GaN閘極與MOSFET的源級相連，因此無法控制串聯驅動中的開關速度。在硬性開關操作中，GaN Cgs、MOSFET Coss和MOSFET Qrr中有效Coss的增加，以及可能因防止MOSFET突崩所產生的電流傳導，會在初始充電期間產生更高的汲極電流。這種更高的汲極電流會導致串接驅動中的功耗更高。
MOSFET的汲極電荷足以關閉GaN裝置之後，汲極中Coss的驟降，加上流過功率迴路電感的汲極電流較高，導致串接配置中的開關節點產生過大的振鈴。圖2為硬性開關事件中的開關波形，在此模擬中，直接驅動配置在每次硬性開關事件中消耗的能量更少，即使其開關速度較低，振鈴也較小(直接驅動50V/ns時為4.2W，相較串接驅動150V/ns時為4.6W，均帶5A負載電流)。
另一方面，直接驅動配置在開關操作過程當中可直接驅動GaN裝置的閘極。當不存在偏壓電源的時候，MOSFET閘極會被拉至接地，並且以與串接配置相同的方式來關閉GaN裝置。
只要存在偏壓電源，MOSFET會保持開啟狀態，且寄生電容和內接二極體會從電路中移除。直接驅動GaN閘極的優勢在於可以藉由設定對GaN閘極充電的電流來控制開關速度。對於升壓轉換器，驅動器電路的簡單模型如圖3所示。可以從這個模型中推導出方程式。
公式1證明當GaN裝置具有足夠的閘-汲極間電容(Cgd)時，利用閘極電流，可透過米勒反饋(Miller Feedback)來控制開關事件的速度。對於Cgd較低的裝置來說，此種反饋將流失，且裝置的跨導(gm)控制著開關速度。
公式1
直接驅動配置的另一個優勢在於可以給閘極迴圈增加阻抗來抑制其寄生共振。抑制閘極迴圈也可以減小功率迴圈中的振鈴，使得GaN裝置上的電壓應力降低，減少硬式開關期間的電磁干擾(EMI)問題。
圖2的模擬顯示了以功率和閘極迴圈寄生電感為模型的降壓變換器中開關節點振鈴的差異。直接驅動配置有一個過衝量非常小的受控開關。然而，由於閘極迴圈中的初始COS、Qrr較高與較低的阻抗，串接驅動的振鈴和硬式開關損耗明顯更高。
整合閘極驅動器 GaN FET開關控制更順暢
以德州儀器(TI)旗下的LMG341X系列600V GaN裝置為例，該產品為首款整合GaN FET plus驅動器和保護特性的產品，並且是8mm×8mm的方形扁平無針腳(QFN)封裝多晶片模組(MCM)，包含一個GaN FET和一個使用整合20V串聯FET的驅動器，總RDSon為75mΩ。
圖4為此裝置的方塊圖。閘極驅動器提供了GaN FET直接驅動能力，並具有一個內建的降壓/升壓轉換器來產生關閉GaN FET時所需的負電壓。閘極驅動器採用單一12V電源供電，並擁有一個內部低壓差穩壓器(LDO)，可以用來生成為驅動器和其他控制電路供電的5V電源軌。內部欠壓鎖定(UVLO)電路保持安全FET關閉，直到輸入電壓高於9.5V。UVLO超過自身的臨界值時，降/升壓轉換器即打開並為負電源軌(VNEG)充電。一旦VNEG電源電壓超過其自身的UVLO，驅動器就會啟用。
與分離式GaN和驅動器相比，LMG341x系列的整合直接驅動裝置具有很多優勢。閘極驅動器的一大重要作用是在硬式開關事件期間對開關速度的控制。
另外該產品使用可程式化電流源來驅動GaN閘極。電流源提供阻抗來抑制閘極迴圈，並允許用戶以控制的方式將開關速度從30V/ns編程至100V/ns，以解決電路板寄生和電磁干擾問題。
藉由將串聯FET整合到驅動器的積體電路(IC)中，敏感FET和電流感測電路為GaN FET提供過電流保護。這一關鍵特性可以提升系統整體可靠性。這種電流感測方案在使用強化模式GaN裝置時是不適用的。當流過GaN FET的電流超過40A時，電流保護電路會跳脫。過電流事件發生後的60ns內，GaN FET會關閉，以防止晶片過熱。
藉由將驅動器晶片包裝在與GaN FET相同的晶片連接焊盤(DAP)上，驅動器晶片上的引線框架可以感測到GaN裝置的溫度。驅動器在過熱時可以透過停止GaN驅動來保護裝置。整合的GaN裝置也可以提供故障輸出，以通知控制器開關因為出現故障而停止。為了使用直接驅動方法來驗證操作，我們創建了一塊半橋式板，並將其配置為降壓轉換器；並使用ISO7831雙向位準偏移器來饋送高側驅動訊號，並恢復位準偏移故障訊號。
在圖5中，GaN半橋式配置從480V匯流排以1.5A的電壓以及100V/ns的開關速度切換。①表示開關節點波形，②表示感應器電流。硬式開關導通狀況較好，並有~50V過衝電壓。該波形使用1GHz示波器和探針測得，用來觀察是否存在任何高頻振鈴。快速地接通，加上截止電容的減少以及缺少反向恢復電荷，使得基於GaN的半橋式配置能夠高效地切換，甚至作為硬式開關轉換器。
總結來說，GaN在減少截止電容和無反向恢復方面提供的優勢開闢了在使用硬式開關拓撲結構的同時能保持高效率的可能。若要最大限度地發揮GaN帶來的優勢，則需要控制高開關速度，也因此需要一個最佳的組合封裝驅動器和精細的電路板布線技術。組合封裝驅動器有助於減少閘極迴圈寄生，以減小閘極振鈴。有了精細布線的印刷電路板(PCB)，最佳化的驅動器就可以讓設計人員控制開關事件的速度，並將振鈴和電磁干擾降到最低。這一效果是通過GaN裝置的直接驅動配置實現的，而非串接配置。
而LMG341x系列元件能夠讓設計人員以30V/ns到100V/ns的開關速度控制各種裝置的開關。此外，驅動器可以提供過電流、過熱和欠壓防護。
