随着世界向电气化转型，以更有效地利用能源并切换到可再生资源，氮化镓(GaN)等宽禁带半导体技术正迎来良机。传统硅MOSFET和IGBT的性能已接近材料的理论极限，进一步的发展仅能实现微小的改进，过程缓慢且成本高昂。GaN晶体管则能显著且快速地提高功率转换效率，并提供额外的优势，包括体积更小和更高的可靠性。

　　因此，这些设备广泛应用于电源适配器、墙壁充电器、电动汽车充电系统、工业和医疗电源以及电机驱动等重要应用的新设计中。最终用户将在新一代设备上市中体验到这场革命，这些设备的外形更纤薄，便于携带，且运行温度低于前辈产品。GaN技术在D类音频放大器中也带来了优势，包括更长的电池续航时间、便携和移动应用中的小尺寸，以及更佳音质的潜力。

　　GaN晶体管的几个重要优势来自于其寄生效应普遍低于硅等效物。特别是，较低的栅源电容和栅漏电容(CGS, CGD)值导致在开关过程中能量损失较小。图1比较了使用硅和GaN技术实现的48 V到3.3 V降压转换器的效率，显示GaN在高输出电流下具有显著的效率优势。

　　此外，电容的快速充放电导致延迟和过渡时间缩短，使工程师能够设计出切换频率达到MHz范围的应用。这允许使用更小的储能被动元件，直接提高功率密度。在D类放大器中，高切换频率可以提升音频保真度。此外，低值CGS在需要低占空比的应用中增强了开关控制，例如高降压比的降压调节器。

　　解锁GaN的优势

　　没有控制，功率毫无意义，这一原则在驱动GaN晶体管的开关电路中同样适用。门驱动器的角色在于最大化GaN晶体管的效率优势，同时保护器件结构以确保可靠性。

　　MinDCet设计了MDC901驱动IC，具备特别设计的功能，以确保安全、快速和高效的GaN切换，从而最大化性能和节能，充分利用其在高性能、高可靠性ASIC及系统设计方面的经验，尤其是针对要求严苛的应用，如辐射耐受的航天组件。图2强调了MDC901门控控制器所需的PCB面积比同类门驱动解决方案的外部组件小五倍。

　　过充保护

　　GaN晶体管的栅氧化层相对脆弱，可能因过高电压而受损。门回路中寄生电感的行为、开关时晶体管电容的充放电，以及信号线上的感应电压，都是可能使低侧晶体管暴露于潜在的有害过高栅源电压(VGS)的因素。

　　保护门控免受过电压的方法有多种，其中之一是增加外部钳位电路。然而，这往往会增加功耗和电路占地面积，PCB寄生效应也限制了其有效性。另一种方法是在GaN晶体管中内置保护，代价则是增加器件的复杂性和成本。MinDCet的MDC901半桥门驱动器通过集成真实浮动电压线性(LDO)调节器来保护GaN门控，分别用于高侧和低侧驱动电路。这些LDO将电压严格调节到可编程的5或6V水平。因此，驱动器有效防止过电压，同时允许设计师选择没有内部保护的GaN晶体管。

　　死区时间控制

　　为了实现GaN技术在功率转换中能带来的全部效率提升，设计师需要理解寄生电容的行为及其在VGS = 0 V时允许晶体管反向导通的物理特性。通常，普通硅MOSFET具有一个固有的体二极管，能够导通自由轮回电流;而GaN晶体管则没有体二极管。当反向偏置时，VGS = 0 V，器件会自我换向，因此自由轮回电流通过晶体管的漏源通道。这带来了多个优势，包括消除了与体二极管反向恢复相关的损失以及二极管开启时产生的内部噪声。

　　另一方面，晶体管两端的电压降大于硅MOSFET体二极管的相应电压。在半桥电路中，由于这一电压降造成的损失发生在晶体管的死区时间。因此，缩短死区时间有助于最小化这些损失并提高效率。相反，如果死区时间不足，损失则会增加，因为漏源电容通过互补晶体管放电。

　　理想的死区时间依赖于具体应用。因此，死区时间控制是合适的GaN驱动器所需的特性，以帮助设计师优化性能和效率。此外，控制还确保在应用的整个生命周期内死区时间是已知且恒定的。

　　MDC901提供数字输入，允许设置半桥操作的开通和关闭阶段的死区时间。如有需要，驱动器也可以自动设置死区时间。GaN门电压的闭环感测提供了一种安全保障，确保高侧或低侧晶体管只有在互补器件关闭时才能导通。

　　输出驱动强度

　　GaN技术的一个关键优势在于其能够快速在关与开状态之间切换，从而最小化功耗。实现短切换过渡时间依赖于提供足够的栅电流。MDC901的最大栅驱动强度为10 A，能确保即使多个GaN晶体管并联连接时也能实现快速切换过渡。

　　虽然快速切换通常是优先考虑的因素，但必须注意调节速度，以避免振铃。这通常通过根据门电路的电感和晶体管栅电容选择电阻来实现。驱动器通常将这些电阻集成，以便更好地控制开通/关断电流。

　　MDC901采取了不同的方式，强调使用外部电阻，将功率损耗转移到驱动IC外部，从而简化热管理并提高可靠性。驱动器为栅驱动调节提供了独立的上拉和下拉输出。此外，驱动器设计为在输出电压低至-4 V时运行，以确保在电压降到接地电压以下(这可能是源电感与负载条件组合引起的)时正常工作。

　　高占空比

　　GaN晶体管快速切换能力的另一个重要优势在于其能够在低占空比下高效运行。这在具有大降压比的功率转换等应用中尤为明显。GaN使得48 V总线可以直接转换为1 V，达到负载点(POL)时具有高效率，而不需要中间阶段。这不仅节省了物料清单，还减少了电路占地面积，消除了中间转换损耗。GaN晶体管通过快速过渡最小化开关损耗，使得整体转换效率相比于同频率的硅MOSFET技术提升10-15%。

　　反之，GaN的快速切换能力使得该技术适用于要求极高占空比的应用，包括D类放大器和电机驱动，尤其是在高转速下运行时。当在持续的高占空比下工作时，提升电压和施加到GaN晶体管栅极的电压可能因泄漏效应以及系统中其他负载的偏置而降低。为了解决这一问题，MDC901驱动器集成了充电泵，以维持所需的栅驱动偏置。这使得在高达100%的占空比下运行成为可能，从而允许高侧开关在较长时间内保持导通。MDC901还集成了引导二极管，帮助确保足够的栅驱动强度。

　　图3显示了驱动器的内部特性，包括充电泵、死区时间生成器和浮动调节器。此外，系统必需的安全特性也被集成，包括芯片温度监测、门信号输出监测和栅电压欠压锁定(UVLO)。

　　GaN栅极控制总结

　　GaN晶体管能够直接嵌入已建立的功率转换拓扑中，并带来更高的能源效率、更高的功率密度、更紧凑的产品尺寸、更低的运行温度(易于热管理)以及更高的可靠性。

　　最大化这些优势需要一定的重新设计，尤其是在晶体管的控制方面。理想的门驱动器特性包括大电流吸引能力以控制多个并联GaN设备、可配置的死区时间以及防止门过充的保护。通过集成充电泵以服务于高占空比应用及内置系统保护特性，MDC901解决了医疗、工业、消费和汽车市场中对能源高效应用的需求。

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