非常見問題：原來為矽MOSFET設計的DC-DC控制器能否用來驅動GaNFET？

作者：ADI 應用經理Kevin Thai

問題:

如果沒有專用於驅動GaNFET的控制器，如何使用GaNFET設計四開關降壓-升壓DC-DC轉換器？

答案:

眾所皆知，GaNFET比較難驅動，如果使用原本用於驅動矽(Si) MOSFET的驅動器，可能需要額外增加保護元件。適當選擇正確的驅動電壓和一些小型保護電路，可以為四開關降壓-升壓控制器提供安全、一體化、高頻率GaN驅動。

簡介

對於不斷追求減小電路板尺寸和提升效率的要求， GaNFET功率元件已成為破解目前難題的理想選擇。GaN是一項新興技術，可望進一步提升功率、開關速度以及降低開關損耗。這些優勢使得功率密度更高的解決方案成為可能。目前市面上充斥著大量不同的Si MOSFET驅動器，而新的GaN驅動器和內建GaN驅動器的控制器還需要幾年才能問世。除了簡單的專用GaNFET驅動器（如LT8418)外，市面上還存在針對GaN的複雜降壓和升壓控制器（如 LTC7890, LTC7891)。目前的四開關降壓-升壓解決方案仍有些複雜，但驅動GaNFET並不像看起來那麼困難。利用一些簡單的背景知識，可以透過調整針對Si MOSFET的控制器來驅動GaNFET。LT8390A便是一個很好的選擇。這是一款專業的2 MHz降壓-升壓控制器，死區時間(25 ns)非常短，參見圖1。該降壓-升壓方案的感測電阻與電感串聯，且位於兩個熱迴路的外部，這是降壓-升壓方案的一個新特性，使得控制器能夠在升壓和降壓工作區域（以及四開關降壓-升壓）中以峰值電流控制模式運行。本文深入探討了四開關降壓-升壓GaNFET控制，但其原理同樣適用於簡單的降壓或升壓控制器。

5 V閘極驅動器必不可少

對於高功率轉換，矽驅動器通常工作在5 V以上，典型的矽MOSFET閘極驅動器電壓範圍為7 V至10 V甚至更高。這對GaNFET提出了挑戰，因為其絕對最大閘極電壓額定值通常為6 V。甚至閘極和源極迴路上的雜散PCB電感引起的振鈴如果超過最大閘極電壓，也可能導致災難性的故障。相關設計人員必須仔細考慮佈局，盡可能降低閘極和源極迴路上的電感，才能安全有效地驅動GaNFET。除了佈局之外，建立元件級保護對於防止閘極發生災難性過壓也很重要。

LT8390A提供專為較低閘極驅動FET設計的5 V閘極驅動器，因而是驅動GaNFET的理想選擇。問題是矽FET驅動器通常缺乏針對意外過壓的保護。更具體地說，矽閘極驅動器上頂部FET的自舉電源不受調節，表示頂部閘極驅動器很容易漂移到GaNFET的絕對最大電壓以上。圖2提供了解決此問題的方案：將一個5.1 V齊納二極體（D5和D6）與自舉電容並聯，以將該電壓箝位在GaNFET的推薦驅動位準，進而確保閘極電壓始終在安全工作範圍內。

此外，為了提供更好的保護，可以增加一個10 Ω電阻與自舉二極體（D3和D4）串聯，以減小超快速和高功率開關節點可能引起的任何振鈴。

死區時間和Body Diode挑戰

傳統轉換器中有一個續流二極體，其在關斷期間導通。同步轉換器用另一個開關取代續流二極體，以減少二極體的正嚮導通損耗。然而，如果頂部和底部開關同時導通，就會發生故障，導致擊穿。如果發生擊穿，則兩個FET都可能短路接地，進而造成元件故障和其他災難性後果。為了防止這種情況，控制器設置了死區時間，即頂部和底部開關均不導通的時間段。典型同步DC-DC控制器實現的死區時間長達60 ns。Body Diode在此期間導通，因此對於矽MOSFET來說，該死區時間不會造成麻煩。

GaNFET沒有Body Diode，導通和關斷的速度比矽MOSFET更快。GaNFET可以在2 V至4 V的電壓下導通，而二極體的典型導通電壓為0.7 V。導通電壓乘以導通電流，可能導致死區時間內的功率損耗增加近6倍。功率損耗的增加，加上較長的死區時間，可能造成FET過熱和損壞。比較好的解決方案是儘量縮短死區時間。然而，原本用於矽FET的控制器是根據矽FET緩慢的通斷特性（數十奈秒）來設計死區時間，為防止擊穿，死區時間通常較長。

LT8390A設定的死區時間為25 ns，相較於市面上的許多同步控制器，該死區時間相對較短。該元件適用於高頻、高功率MOSFET控制，但對於GaNFET來說仍然太長。GaNFET的導通速度很快，僅幾奈秒。因此，為了減少死區時間內的額外導通損耗，建議增加一個續流蕭特基二極體與同步GaNFET反向並聯，將導通路徑轉移到損耗較小的路徑。圖2中的D1和D2說明了蕭特基二極體應放置在哪個FET上。D1跨接於同步降壓側FET，而D2跨接於同步升壓側FET。簡單的降壓轉換器只需要放置D1。對於簡單的升壓轉換器，需使用D2。

更高頻率、更高功率

LT8390A的開關頻率高達2 MHz。GaNFET的開關損耗明顯低於Si MOSFET，開關頻率和電壓更高時，其功率損耗與後者相近。 EVAL-LT8390A-AZ GaNFET 板將開關頻率設定為2 MHz，以突顯 GaNFET在效率和尺寸方面的優勢。

在室溫、24 V輸出下，GaNFET可產生120 W功率。該板尺寸與之前的LT8390A評估板 DC2598A 相當，後者使用矽MOSFET，並提供12 VOUT和48 W功率。圖3展示了2 MHz GaN降壓-升壓電路的最大功率能力，而圖4比較了兩種評估板的效率。即使在電壓更高、輸出功率高2.5倍的情況下，GaNFET板的效率也高於Si MOSFET板。在電路板面積相似時，使用GaNFET可以以更高的電壓和功率運行。

結論

如果沒有專門用於驅動GaNFET的DC-DC控制器，我們仍然可以有效地驅動GaNFET。在電路板面積近似時，即便使用原本用於驅動Si MOSFET的控制器，EVAL-LT8390A-AZ也能輕鬆輸出更大的功率並實現更高的效率。表1推薦了多款用於驅動GaNFET的控制器。如果功率要求更高，例如並聯降壓-升壓GaNFET控制，請聯繫原廠。透過研究提供5 V閘極驅動器的控制器並整合額外的外部保護電路元件，我們將可安全地驅動GaNFET，並探索電源轉換設計中的更多選擇。