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GaN FET 在高頻 DC-DC 轉(zhuǎn)換器等電源系統(tǒng)中越來越受到青睞。

因此，電力電子領(lǐng)域的大多數(shù)主要廠商都推出了氮化鎵 (GaN) 功率 FET，這些器件利用了GaN獨特的特性——減少柵極電荷 (Qg)、輸出電容 (COSS) 和反向恢復損耗——從而實現(xiàn)更快地切換并節(jié)省更多電量。

GaN FET 的開關(guān)速度非常快，因此可以使用更小的無源元件以及變壓器、電感器和其他磁性元件，從而節(jié)省空間和成本，但 GaN 的獨特特性也帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

ADI多重市場電力部門董事總經(jīng)理AI Wu表示，如果沒有專門設(shè)計用于控制 GaN 功率 FET 的柵極驅(qū)動器 IC，則很可能會影響性能，甚至會增加對 FET 造成永久性損壞的風險。

為了提供更穩(wěn)健、更可靠的控制，ADI推出了一款柵極驅(qū)動器 IC，可提供峰值 4A 的拉電流和高達 8A 的灌電流，以及快速傳播延遲，以挖掘 GaN 功率FET的潛力。Wu 表示，作為該公司首款專為 GaN 設(shè)計的柵極驅(qū)動器，LT8418 還可以承受快速開關(guān)速度（每納秒高達 50V）下可能出現(xiàn)的高電壓瞬態(tài) (dv/dt)。ADI在APEC 2024上宣布推出了該款柵極驅(qū)動器。

除了提供大的拉電流和灌電流之外，100V柵極驅(qū)動器還提供 0.6Ω 上拉電阻和 0.2Ω 下拉電阻，以適應(yīng) FET 的開啟和關(guān)閉速率。該 IC 集成了一對驅(qū)動級，因此能夠控制半橋拓撲中的兩個 GaN 功率 FET。此外，它還可以配置為全橋或降壓、升壓和降壓-升壓拓撲。

Wu 表示，柵極驅(qū)動器 IC 主要適用于高頻 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。它還適用于升級到 GaN 的數(shù)據(jù)中心的電機驅(qū)動器和電源，以節(jié)省空間和電力。

柵極驅(qū)動器：解鎖更快開關(guān)速度的關(guān)鍵

柵極驅(qū)動器在電力電子領(lǐng)域發(fā)揮著核心作用。 它充當 MCU 或脈寬調(diào)制 (PWM) 控制器與 FET 之間的接口，控制器可輸出信號來控制電源的占空比、頻率和死區(qū)時間等功能。 由于 FET 的功率輸出質(zhì)量會影響電源的性能，因此在選擇柵極驅(qū)動器 IC 時必須小心。

雖然 GaN 功率 FET 的開關(guān)速度比硅更快，但它們必須處理高瞬態(tài)電壓 (dv/dt)，這代表開關(guān)時電壓隨時間變化的速率。 Wu 表示，功率 FET 的漏極和源極之間的高 dv/dt 可能會導致多種問題：功率損耗過大、誤切換，甚至對器件造成永久性損壞。柵極驅(qū)動器有責任仔細控制和驅(qū)動 FET 并防止任何意外后果。

FET 在導通和截止狀態(tài)之間保持的時間越長，開關(guān)瞬態(tài)損失的功率就越多。 用于驅(qū)動器件中柵極的電流決定了轉(zhuǎn)換所需的時間。 如果有足夠的電流流入 FET，電壓就會上升到器件自行開啟的點。 柵極驅(qū)動器必須能夠在開關(guān)過程中提供高電流，以處理快速轉(zhuǎn)換速率。 這樣做可以減少死區(qū)時間，從而減少 FET 所經(jīng)歷的功率損耗以及產(chǎn)生的熱量。

LT8418 是一款具有獨立導通和關(guān)斷路徑的分離柵極驅(qū)動器。 Wu 表示，這樣做可以調(diào)整 GaN 功率 FET 的開啟和關(guān)閉壓擺率，以限制振鈴并減少電磁干擾 (EMI)，EMI會在快速開關(guān)下產(chǎn)生，并對系統(tǒng)造成影響。 高側(cè)和低側(cè)輸出具有獨立的上拉 (0.6 Ω) 和下拉 (0.2 Ω) 電阻，可用于調(diào)整開啟和關(guān)閉時間。

Wu 表示，柵極驅(qū)動器的輸入和輸出也具有默認的“低”，以防止功率 FET 錯誤地自行開啟。 根據(jù) dv/dt，GaN FET 的柵極輸入端可能會產(chǎn)生過電壓。 該電壓基于其柵極-漏極電容 (Cgd) 和柵極-源極電容 (Cgs) 之間的比率或流向放置在柵極前面的電阻器的電流，該電壓可能會導致 FET 意外導通。

Wu 警告說，GaN 功率 FET 的另一個挑戰(zhàn)是其內(nèi)部的柵極容易受到電壓尖峰的影響，特別是電源拓撲高壓側(cè)的 FET，從而造成永久性損壞。 在內(nèi)部柵極關(guān)閉和開啟之間的死區(qū)時間間隔內(nèi)，GaN 功率 FET 從源極到漏極可能會經(jīng)歷 2 至 3V 的壓降，在某些情況下甚至更高，然后電壓降將添加到電源電壓上并可能導致過壓。

既然需要防止任何損壞，需要非常準確地向 GaN FET 提供電壓，這就要采用某種形式的電源調(diào)節(jié)。 一般來說，柵極驅(qū)動器 IC 與單獨的 DC-DC 偏置電源或自舉二極管配對，以提供自舉電壓，以幫助驅(qū)動高壓側(cè)的 GaN 的柵極。但是，LT8418 集成了一個“智能開關(guān)”，可以以最小壓差完全控制 VCC 的平衡自舉電壓輸出。

內(nèi)部的“智能”自舉開關(guān)用于調(diào)節(jié)高側(cè)柵極驅(qū)動電壓，使其在 GaN FET 的安全工作區(qū) (SOA) 內(nèi)運行，確保在所有條件下都能充分可靠地運行。

柵極驅(qū)動器的損耗

為了跟上超過 1 MHz 的快速開關(guān)頻率，如上所述，LT8418 泵出 4 A 的峰值拉電流和 8 A 的灌電流，以實現(xiàn) GaN 功率場效應(yīng)管的快速開通和關(guān)斷。

Analog Devices 表示，該柵極驅(qū)動器的電源電壓為 3.85 至 5.5 V，具有 10 ns 的快速傳播延遲，并在頂部和底部通道之間保持 1.5 ns 的延遲匹配。

這樣可以響應(yīng)來自電源核心的 MCU 或其他控制器的 PWM 信號，以更高的保真度更準確地再現(xiàn)所需的電源開關(guān)波形。

GaN 功率 FET 的另外獨特性之一是器件內(nèi)部沒有體二極管，從而消除了反向恢復損耗 (Qrr)。 Wu 表示，通過消除這些功率損耗，GaN FET 可以在高頻、硬開關(guān)拓撲中提供更好的效率。

盡管如此，GaN 功率 FET 仍可能會出現(xiàn)反向電流傳導形式的功率損耗。 通過盡可能減少接通和斷開周期之間的死區(qū)時間，可以最大限度地減少此類傳導損耗。

較短的傳播延遲也有意義，因為它可以使 FET 的開啟和關(guān)閉周期之間的死區(qū)時間更短且變化更小，從而減少快速變換期間可能增加的功率損耗和熱量。 柵極驅(qū)動器包含一對完全獨立的 PWM 輸入（半橋的高側(cè)和低側(cè)各一個）。 它們還具有邏輯兼容性，以便需要更精確的控制。

LT8418 采用尺寸為 1.67 × 1.67 mm 的緊湊型 WLCSP BGA 封裝，以降低寄生電感，使其能夠廣泛應(yīng)用于高性能和高密度電源系統(tǒng)。

柵極驅(qū)動器配備了多種內(nèi)部保護功能，包括過壓和欠壓鎖定 (UVLO) 保護，以防止 GaN 功率器件在驅(qū)動電壓不足的情況下開啟。