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氮化镓（GaN）是电力电子行业的一个热门话题，因为它可以实现80Plus钛电源、3.8 kW/L电动汽车（EV）车载充电器和电动汽车（EV）充电站等设计。在许多特定的应用中，GaN已经取代了传统的MOSFET晶体管，由于它能够驱动更高的功率密度和具有更高的效率。然而，由于GaN的电气特性和它所能达到的性能，使用GaN元件设计面临着与硅元件完全不同的挑战。
GaN场效应晶体管包括耗尽型（d-mode）、增强型（e-mode）和共源极型（共源共栅）三种类型，每种类型都有各自的栅极驱动和系统要求。
GaN场效应管的内部结构
每一个GaN电源开关都需要适当的栅极驱动，否则在测试过程中可能会发生意外。GaN器件具有极其灵敏的栅极，因为它们不是传统意义上的MOSFET，而是高电子迁移率晶体管（HE MT）。高电子迁移率晶体管的横截面，类似于MOSFET。GaN FET的电流并不流经整个衬底或缓冲层，而是流经一个二维电子气层。
栅极控制不当可能导致GaN FET的绝缘层、阻挡层或其他结构部件的击穿。这不仅会导致GaN FET在相应的系统条件下无法工作，而且会对器件本身造成永久性的损坏。这种级别的灵敏度要求用户仔细检查不同类型GaN器件的特性及其广泛的需求。HE MT也没有传统的掺杂FET结构，它形成PN结，形成体二极管。这也意味着没有内部二极管，以打破或创建不必要的过程，如在操作过程中的反向恢复。
增强型GaN FET在外观上与增强型硅FET非常相似。在大多数操作条件下，栅极阈值电压为6V，1.5 V至1.8 V的正电压是导通电压。然而，大多数增强型GaN器件的最大栅极阈值电压为7V，一旦超过，就会发生永久性损伤。
传统的硅栅极驱动器可能无法提供足够的电压稳定性或解决高共模瞬态抗扰度问题，因此许多设计人员选择专门为GaN FET设计的LMG1210-Q1等栅极驱动器。无论电源电压，LMG1210-Q1只提供了一个5V的栅极驱动电压。传统的栅极驱动器需要对栅极偏置电源进行非常严格的控制，以免在GaN FET的栅极处产生过电压。与增强型GaN FET相比，共源共栅GaN FET在易用性方面是一种折衷。
GaN FET是耗尽型器件（KT65C1R200D氮化镓MOS是耗尽型），这意味着该器件在正常情况下是导通的，关断时需要向栅极施加一个负阈值电压。对于功率开关来说，这是一个大问题，许多制造商在GaN FET封装中级联MOSFET。GaN FET的栅极连接到硅FET的源极，并且向硅FET的栅极施加导通和截止栅极脉冲。
在封装中串联硅FET的优点是，用传统的隔离栅极驱动器驱动硅FET可以解决栅极驱动和电源偏置的许多问题。级联GaN FET最大的缺点是输出电容高，并且由于体二极管的存在，很容易发生反向恢复。与GaN FET相比，硅FET的输出电容增加了20%，这意味着与其他GaN解决方案相比，开关损耗增加了20%以上。在反向导通过程中，当电压极性翻转时，硅场效应晶体管的体二极管将导通电流并进行反向恢复。
硅FET的输出电容比原来的GaN FET增加了20%，这意味着与其他GaN解决方案相比，开关损耗增加了20%以上。此外，在反向导通过程中，硅场效应管的体二极管导通电流，并在电压极性反转时进行反向恢复。
为了防止硅场效应管的雪崩击穿，共源共栅GaN场效应管需要在70V/ns的摆率下工作，这也增加了开关重叠损耗。虽然级联GaN FET可以简化设计过程，但也限制了设计的可实现性。
集成带来更简单的解决方案
将耗尽型GaN FET与栅极驱动器和内置偏置电源控制集成可以解决增强型和共源共栅GaN FET的许多设计问题。例如，LMG3522R030-Q1是一个650V 30mΩGaN器件，集成了栅极驱动器和电源管理功能，以实现更高的功率密度和效率，同时减少相关风险和工程工作。耗尽型GaN FET需要在封装内串联一个硅场效应管，但与共源共栅GaN FET最大的区别在于，集成栅极驱动器可以直接驱动GaN场效应管的栅极，而硅场效应管保持常闭启动开关。这种直接驱动可以解决级联GaN FET的输出电容高、反向恢复敏感、雪崩击穿等主要问题。在LMG3522R030-Q1集成栅极驱动器可实现非常低的开关重叠损耗，使GaN FET工作在开关频率高达2.2 MHz，并消除了使用错误的栅极驱动器的风险。
驱动程序的集成可以减少解决方案的大小，并启用功率密集型系统。集成降压-升压转换器也意味着LMG3522R030-Q1可以从9V工作至18V不受管制的用品，显着降低偏置电源的要求。为了实现紧凑和经济的系统解决方案，LMG3522R030-Q1可用于超低电磁干扰变压器驱动器，如UCC25800-Q1，通过多个次级绕组实现开环电感-电感-电容控制。在印刷电路板超薄设计也可以使用高度集成的紧凑型偏置电源，如UCC14240-Q1直流/直流模块。
GaN器件与合适的栅极驱动器和寄生电源相结合，可以达到150 V/ns的开关速度、最小的开关损耗和较小的高功率系统磁尺寸。集成的GaN解决方案可以解决许多器件级的问题，使用户能够专注于更广泛的系统级考虑。
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