随着全球寻求电气化以提高能源利用效率并转向可再生能源，宽禁带半导体技术如氮化镓 (GaN) 的时机已愈加成熟
。传统硅MOSFET和IGBT的性能已接近材料的理论极限
，进一步的发展只能带来微小的改善
，进展缓慢且成本高昂。氮化镓晶体管显著提升了功率转换效率

，并且具有体积小
、可靠性高等附加优势。

　　因此，这些设备广泛应用于重要的设计
，如电源适配器
、墙面充电器
、电动汽车充电系统、工业和医疗电源以及电动机驱动器。最终用户将在新一代设备进入市场时体验到这一革命
，这些设备的形态更为纤薄，便于携带，且运行温度低于其前身。GaN 技术在D类音频放大器中同样展现了优势
，包括更长的电池运行时间

、在便携和移动应用中的更小体积
，以及潜在的更优音质
。

　　GaN 晶体管的几个重要优势源于其相对于硅材料的较低寄生效应
。特别是，较低的门源电容 (CGS) 和门漏电容 (CGD) 值使得开关过程中的能量损失降低。图1比较了使用硅和GaN技术实现的48V到3.3V降压转换器的效率
，显示出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 MHz 范围内的开关频率应用。这允许使用更小的储能元件，直接提高功率密度。在D类放大器中
，高开关频率能提高音频保真度
。此外，低CGS值在需要低占空比的应用中(如具有高降比的降压调节器)增强了开关控制
。

　　解锁GaN的优势

　　电源需要控制，这一原则在驱动GaN晶体管的开关电路中同样适用
。门驱动器在最大化GaN晶体管效率优势的同时

，保护器件结构以确保可靠性，发挥着关键作用。

　　MinDCet开发了MDC901驱动IC，具备专为确保安全、快速和高效的GaN开关而设计的特点，利用其在高性能

、高可靠性ASIC和系统(包括辐射耐受的太空级组件)制造方面的经验，旨在提升性能和节能。图2强调MDC901门控制器所需的PCB面积比可比门驱动解决方案的外部元件小五倍。

　　过充保护

　　GaN晶体管中的栅氧化层相对脆弱
，过高的电压可能会造成损坏。栅环路中寄生电感的行为
、开关过程中晶体管电容的充放电
，以及信号线上出现的感应电压，都是可能将低侧晶体管暴露于潜在危险的高门源电压 (VGS) 的因素。

　　保护门极免受过电压影响的方法有多种。其中一种是增加外部钳位电路
，但这往往会增加功耗和电路占地面积，PCB的寄生效应也限制了其有效性。另一种选择是在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半桥门驱动器通过为高侧和低侧驱动电路集成真正的浮动电压线性调节器 (LDO)，保护GaN门极。这些LDO将电压严格调节至可编程的5或6 V，从而有效防止过电压
，同时让设计师更广泛选择没有内部保护的GaN晶体管。

　　死区时间控制

　　为了实现GaN技术在功率转换中所能带来的全部效率提升，设计者需要了解寄生电容的行为以及允许当VGS = 0 V时晶体管反向导通的物理原理。与此相比，普通的硅MOSFET具有导通的本体二极管
，而GaN晶体管没有
。当VGS = 0 V时
，器件自我换向
，使自由轮流电流通过晶体管的漏源通道流动
。这具有多个优势
，包括消除与本体二极管反向恢复相关的损耗

，以及在二极管开启时产生的内部噪声。

　　另一方面，晶体管的电压降比硅MOSFET的本体二极管对应电压降要大。在半桥中
，由于这个电压降造成的损耗发生在晶体管死区时间内。因此，较短的死区时间有助于最小化这些损耗
，提高效率。另一方面，不足的死区时间会导致损耗，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驱动器的一个理想特征，有助于设计师优化性能和效率。此外，控制还确保死区时间在应用的生命周期中是已知且恒定的
。

　　MDC901提供数字输入，使得可以为半桥操作的开通和关断阶段设置死区时间。如有需要，驱动器也可以自动设置死区时间。对GaN门电压的闭环监测提供了安全保障
，确保高侧或低侧晶体管只有在互补器件关闭时才会开启。

　　输出驱动强度

　　GaN技术的一大优势在于其能够快速在开和关状态之间切换，从而最小化损耗
。实现短的开关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
，能够确保快速的开关过渡，即便多个GaN晶体管并联连接
。

　　虽然快速开关通常是优先考虑的事项，但也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门电容选择电阻来实现。驱动器通常将这些电阻集成，以便控制开通/关断电流。

　　MDC901采取了不同的方法，强调使用外部电阻，将功率损耗转移到驱动IC之外，减轻热管理压力并增强可靠性。驱动器提供独立的拉高和拉低输出
，以便调节门驱动
。此外
，该驱动器设计可在输出电压低至-4 V时正常工作
，以确保当电压因源电感和负载条件而低于供电地时仍能正常操作。

　　高占空比

　　GaN晶体管快速开关能力的另一个重要优势是它们能够在低占空比下高效工作。这在如具有大降比的功率转换等应用中尤为明显。GaN使得可以直接将48 V总线转换为1 V，且不需要中间阶段

，从而实现高效率。这不仅节省了材料清单成本，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来最小化开关损耗
，使得整体转换效率提高了10-15%，相较于在相同开关频率下的硅MOSFET技术。

　　反过来，GaN的快速开关能力使得该技术适用于需要极高占空比的应用。这包括D类放大器和电动机驱动器
，尤其是在高转速下工作时
。当以持续高占空比运行时
，由于泄漏效应和其他负载偏置，提升电压和施加在GaN晶体管门极上的电压可能会降低。为应对这一问题，MDC901驱动器集成了充电泵，以维持必要的门驱动偏置
。这使得驱动器能够在高达100%的占空比下运行，从而允许高侧开关在较长时间内保持开启。MDC901还集成了引导二极管，帮助确保充足的门驱动强度。

　　图3展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。同时还集成了关键的系统安全特性
，包括芯片温度监测

、门信号输出监测和门电压欠压锁定 (UVLO)。

　　为加速开发
，MinDCet推出了三款半桥评估板：MDC901-EVKHB、MDC901-15I-EVKHB 和 MDC901-2E-EVKHB
，分别将MDC901驱动器与GaN Systems的100V GS61008P GaN HEMT、Innoscience的150V INN150LA070A FET 和 EPC2215 200V eGaN FET 结合在降压转换器拓扑中。第四个半桥评估板MDC901-15NEVKHB正在开发中
，将使用Nexperia的150V GAN7R0-150LBE GaN FET，并将很快推出
。每个板的尺寸为80mm x 90mm，开箱即用，提供一个紧凑的解决方案
，随时可以进行测试。

　　GaN门控结论

　　GaN晶体管可以直接嵌入已建立的功率转换拓扑中
，带来更高的能源效率
、更高的功率密度
、更紧凑的产品尺寸、较低的运行温度(更易热管理)和更高的可靠性等优势。

　　最大化这些优点需要一定的重新设计，特别是在控制晶体管方面
。理想的门驱动器特性包括强大的电流吸收能力
，以控制多个并联的GaN器件、可配置的死区时间和对门过充的保护。MDC901还具备其他功能，包括集成的充电泵以支持高占空比应用和内置的系统保护特性，旨在解决医疗、工业、消费和汽车市场中对高能效应用的需求
。

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