能否使用最初为硅MOSFET设计的DC-DC控制器来控制GaNFET？#半导体设计

细节: 类别：设计; 2025年6月17日

如何在没有专用GaNFET控制器的情况下，使用GaNFET设计一个四开关升降压DC-DC转换器？

答：
GaNFET的控制难度很高，如果使用为硅(Si) MOSFET设计的控制器，可能需要额外的保护元件。但是，通过仔细选择合适的控制电压并使用小型保护电路，可以实现安全、一体化、高频的GaN控制，从而构建一个四开关升降压控制器。

在不断追求小型化和提高效率的过程中，采用氮化镓场效应晶体管 (GaNFET) 的功率器件已成为克服这些限制的理想选择。GaN 是一种新兴技术，有望实现更高的功率、超快的开关速度和更低的开关损耗。这些优势使得更高功率密度的解决方案成为可能。目前市场上充斥着各种各样的硅 MOSFET 驱动器，而新型 GaN 驱动器以及集成 GaN 驱动器的驱动器距离上市仍需数年时间。除了简单的专用 GaNFET 驱动器（例如 LT8418）之外，市面上还有专为 GaN 设计的复杂升降压驱动器（例如 LTC7890和 LTC7891）。目前还没有简单的四开关升降压解决方案。然而，控制 GaNFET 并没有想象中那么困难。只要掌握一些基础知识，就可以将专为硅 MOSFET 设计的驱动器改造为控制 GaNFET。 LT8390A ，具有极低的死区时间 (25 ns)（见图 1）。该升降压方案的检测电阻与电感串联，且位于两个热环路之外，这是升降压驱动器的一项创新特性。这使得驱动器能够在升压和降压工作区（以及四开关升降压配置）均以峰值电流控制模式运行。尽管本文重点介绍四开关 GaNFET 升降压控制器，但相关信息也适用于简单的降压或升压驱动器。

图 1. 具有 4 个 EVAL-LT8390A-AZ 开关的 24 VOUT 和 5 A GaN 升降压控制器的原理图。.

对于高功率转换而言，
5V栅极驱动器至关重要
6V。即使是寄生PCB电感引起的栅极和源极回线上的振荡，如果超过最大栅极电压，也可能导致灾难性故障。为了安全有效地驱动GaNFET，必须进行仔细的设计考虑，最大限度地降低栅极和源极回线上的电感。除了设计考虑之外，实现元件级保护对于防止灾难性的栅极过电压也至关重要。LT8390A
是一款专为低栅极驱动FET设计的5V栅极驱动器，使其成为GaNFET的理想选择。问题在于，硅FET驱动器通常缺乏防止意外过电压的保护。具体来说，硅栅极驱动器中上层FET的启动电源未经稳压，这意味着上层栅极驱动器的电压很容易超过GaNFET的绝对最大电压。图2展示了如何解决这个问题：将一个5.1V的齐纳二极管（D5和D6）与启动电容并联，以将该电压限制在GaNFET的推荐控制范围内。这样可以确保栅极电压保持在安全的工作范围内。

图 2. 带有 GaN 控制保护元件的 4 开关 GaN 升降压控制器的简化示意图。.

图 3. EVAL-LT8390A-AZ 的最大输出电流与输入电压的关系。该电路板可在高频下，在宽输入电压范围内输出 120W 功率。.

图 4 显示了 GaN 驱动器 EVAL-LT8390A-AZ 与硅 MOSFET 驱动器 DC2598A 的效率对比。GaNFET 在高电压下具有更高的效率。
此外，为了增强保护，在自举二极管（D3 和 D4）上串联了一个 10 Ω 电阻，以减少高功率、极快开关节点可能引起的任何振荡。

死区时间和体二极管挑战：
在传统转换器中，存在一个捕获二极管，它在关断期间导通。同步转换器用另一个开关代替捕获二极管，以降低二极管的正向导通损耗。然而，如果上下开关同时导通，就会出现触发问题。触发时，两个 FET 都可能对地短路，这会导致元件损坏和其他灾难性后果。为了防止这种情况发生，驱动器会设置死区时间，即上下开关均不导通的时间段。典型的 DC-DC 同步驱动器的死区时间可达 60 ns。对于硅 MOSFET 而言，这个死区时间并非主要问题，因为体二极管在此期间导通。GaN
FET 没有体二极管，并且其导通和关断速度远快于硅 MOSFET。GaN FET 的导通电压范围为 2 V 至 4 V，而二极管的典型导通电压为 0.7 V，因此 GaN FET 的死区时间不会像硅 MOSFET 那样由体二极管导通。该导通电压乘以导通电流，会导致死区时间内的功率损耗几乎增加六倍。这种增加的功率损耗，加上较长的死区时间，会导致 FET 过热和损坏。最佳解决方案是尽量缩短死区时间。然而，专为硅 FET 设计的驱动器在设计死区时间时，考虑到硅 FET 具有较慢的导通/关断特性（几十纳秒）。因此，死区时间设置得较长，以防止触发。LT8390A
的死区时间设定为 25 纳秒，比市面上许多同步驱动器的死区时间都要短。虽然这足以控制高频、大功率 MOSFET，但对于 GaN FET 来说仍然太长。GaN FET 的导通速度极快（纳秒级）。因此，为了减少死区时间内的额外导通损耗，建议在同步 GaN FET 上反并联一个捕获肖特基二极管，将导通电流分流到损耗更低的路径。图 2 中的 D1 和 D2 分别指示肖特基二极管应放置在哪个 FET 上。D1 放置在同步降压侧 FET 上，D2 放置在同步升压侧 FET 上。对于简单的降压转换器，只需要 D1。对于简单的升压转换器，则需要使用 D2。

更高频率下更高功率：
LT8390A 的开关频率高达 2 MHz。与硅 MOSFET 相比，GaNFET 的开关损耗显著降低，因此在更高的开关频率和电压下也能保持相近的功率损耗。EVAL -LT8390A-AZ 通过将开关频率设置为 2 MHz，展示了使用 GaNFET 的高效性和紧凑尺寸优势。
在室温下，GaNFET 可提供 120 W 的功率输出，输出电压为 24 V。该评估板的尺寸与之前的 LT8390A 评估板 DC2598A，后者采用硅 MOSFET，可提供 48 W 的功率输出，输出电压为 12 V。
图 3 显示了 2 MHz GaN 升降压转换器的最大功率处理能力，图 4 则比较了两种评估板的效率。即使在更高的电压和 2.5 倍的功率输出下，GaNFET 评估板的效率仍然高于硅 MOSFET 评估板。使用 GaNFET 可以在相似的电路板面积下，以更高的电压和功率水平运行。

表1. GaNFET兼容的DC-DC控制器

结论：
即使目前没有专门为GaNFET控制设计的DC-DC控制器，仍然可以有效地控制它们。即使使用最初为Si MOSFET设计的控制器，EVAL-LT8390A-AZ也能轻松超越其额定功率，并在相似的电路板面积上实现更高的效率。表1列出了一系列推荐的GaNFET控制器。对于更高的功率需求，例如并联升降压GaNFET控制，请联系制造商。通过寻找提供5V栅极驱动并集成额外外部保护电路的控制器，可以安全地控制GaNFET，并探索更多功率转换设计方案。

作者简介：
凯文·泰 (Kevin Thai) 是位于加州圣何塞的亚德诺半导体 (Analog Devices) 公司的应用总监。他隶属于IPS电源产品集团，负责隔离保护和反激式产品线，以及其他升压、升降压和氮化镓 (GaN) 控制器产品。他于2017年获得加州州立理工大学圣路易斯奥比斯波分校 (Cal Poly, San Luis Obispo) 的电气工程学士学位，并于2018年获得加州大学洛杉矶分校 (University of California, Angeles) 的电气工程硕士学位。