氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 提高了轉(zhuǎn)換器效率，與具有相同額定電壓的硅 FET 相比，具有更低的柵極電荷、更低的輸出電荷和更低的導(dǎo)通電阻。在總線電壓大于 380V 的高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，耗盡型（d 型）GaN HEMT 比增強型（e 型）GaN HEMT 更受歡迎。

這是因為 d 模式 GaN HEMT 的柵極電壓范圍比 e 模式 GaN HEMT 寬得多。然而，d 模式 GaN HEMT 具有“常開”特性，這對于常見的開關(guān)模式電源應(yīng)用來說并不理想。兩種商用高壓 GaN 器件（如圖 1 所示）使用具有不同配置的 d 型 GaN HEMT 形成“常關(guān)”器件。

圖 1：采用同步驅(qū)動技術(shù)的高壓 GaN 器件（a）；和直接驅(qū)動技術(shù) (b)

兩種 GaN 器件都具有與低壓硅 FET 串聯(lián)的高壓 GaN HEMT，但具有不同的驅(qū)動方案。采用同步驅(qū)動技術(shù)的高壓 GaN 器件將其高壓 GaN HEMT 柵極引腳與其低壓硅 FET 的源極引腳短路。通過打開低壓硅FET，我們可以控制整個設(shè)備的開/關(guān)。

同步驅(qū)動高壓 GaN 器件有三種可能的狀態(tài)：

· 正向阻塞。當(dāng)V DS,device > 0 且V GS,LV_Si < V GS(th),LV_Si 時，高壓 GaN HEMT 可以打開或關(guān)閉，具體取決于V DS,device是否高于高壓 GaN HEMT V GS閾值電壓 ( V GS(th),HV_GaN )。注意V GS(th),LV_Si是低壓硅 FET的V GS閾值電壓。由于V GS,LV_Si < V GS(th),LV_Si，低壓硅FET處于截止狀態(tài)，不傳導(dǎo)任何電流。如果V DS,設(shè)備< | V GS(th),HV_GaN |，高壓 GaN HEMT 保持導(dǎo)通狀態(tài)，低壓硅 FET 保持整個器件的V DS應(yīng)力。如果V DS,device ≥ | V GS(th),HV_GaN |，高壓 GaN HEMT 關(guān)閉，高壓 GaN HEMT 的V DS電壓保持在V DS,device + V GS(th),HV_GaN，其中V GS(th) ,HV_GaN < 0。

· 正向傳導(dǎo)。當(dāng)V DS,device > 0 且V GS,LV_Si ≥ V GS(th),LV_Si 時，低壓硅 FET 導(dǎo)通。無論高壓GaN HEMT在進入正向?qū)顟B(tài)之前是關(guān)斷還是導(dǎo)通，低壓硅FET的導(dǎo)通都會迫使V GS,HV_GaN ≈ 0 并導(dǎo)通高壓GaN HEMT。

· 反向傳導(dǎo)。當(dāng)V DS,device < 0 且V GS,LV_Si < V GS(th),LV_Si , V GS,HV_GaN將鉗位到低壓硅 FET 體二極管正向電壓。因此，電流將流過低壓硅 FET 體二極管和高壓 GaN HEMT。當(dāng)V DS,device < 0 且V GS,LV_Si ≥ V GS(th),LV_Si 時，低壓硅 FET 導(dǎo)通，V GS,HV_GaN被強制為零。因此，電流流過低壓硅 FET 和高壓 GaN HEMT 的漏源溝道。

與同步驅(qū)動高壓 GaN 器件不同，直接驅(qū)動高壓 GaN 器件僅在其V DD電壓高于欠壓鎖定后才將低壓硅 FET 導(dǎo)通一次。我們可以分析這兩種情況下的設(shè)備運行情況：

· 如果沒有V DD應(yīng)用。當(dāng)在施加正V DS, device 后V DD尚未施加到器件時，V GS,HV_GaN保持在零電壓，低壓硅 FET的V DS開始增加。當(dāng)V DS電壓增加到V GS(th),HV_GaN 時，高壓 GaN HEMT 將關(guān)閉并保持V DS,device + V GS(th),HV_GaN 的電壓。此操作類似于同步驅(qū)動高壓 GaN 器件的正向阻斷狀態(tài)。

· 與V DD施加。器件通過施加V DD 上電后，柵極驅(qū)動器可以產(chǎn)生負電壓以直接關(guān)閉高壓 GaN HEMT。一旦柵極驅(qū)動器控制了高壓 GaN HEMT，低壓硅 FET 就可以在移除V DD或檢測到任何故障之前持續(xù)導(dǎo)通。

采用不同的驅(qū)動技術(shù)，同步驅(qū)動高壓GaN器件和直接驅(qū)動高壓GaN器件具有非常不同的特性。同步驅(qū)動高壓 GaN 器件可用作硅 FET 的直接替代品。然而，低壓硅 FET 與高壓 GaN HEMT 同步切換。即，低壓FET的體二極管可以在穩(wěn)態(tài)操作中傳導(dǎo)電流。因此，低壓硅 FET 反向恢復(fù)電荷 ( Q rr ) 將引入額外的損耗并限制同步驅(qū)動高壓 GaN 器件可實現(xiàn)的開關(guān)頻率。

與同步驅(qū)動高壓 GaN 器件相比，直接驅(qū)動高壓 GaN 器件中的低壓硅 FET 僅從關(guān)斷到導(dǎo)通一次，并在穩(wěn)定狀態(tài)下保持導(dǎo)通。這消除了由于低電壓硅 FET 體二極管引起的反向恢復(fù)效應(yīng)。此外，柵極驅(qū)動器和啟動邏輯的集成增加了整個電源的可靠性。

TI 的 600V LMG3410 GaN 器件采用直接驅(qū)動技術(shù)來實現(xiàn)零Q rr和更低的柵極電荷。還內(nèi)置了具有 50nS 快速故障觸發(fā)時間的過溫保護 (OTP) 和過流保護 (OCP)。在具有圖騰柱開關(guān)配置的電源中使用 TI 直接驅(qū)動 GaN 器件——就像圖騰柱功率因數(shù)校正電路或電感 - 電感 - 電容器 (LLC) 串聯(lián)諧振半橋轉(zhuǎn)換器 - 可以消除直通和不正確的死區(qū)時間設(shè)置的擔(dān)憂。

圖 2 顯示了使用 TI LMG3410 作為輸入開關(guān)的 LLC 串聯(lián)諧振半橋轉(zhuǎn)換器的直通測試。在測試過程中，高邊開關(guān)被強制打開，低邊開關(guān)由驅(qū)動信號控制，占空比逐漸增加。一旦 OCP 跳閘，LMG3410 會迅速禁用其內(nèi)部驅(qū)動器以關(guān)閉開關(guān)。這可以防止設(shè)備發(fā)生災(zāi)難性故障。

圖 2：對 LLC 串聯(lián)諧振半橋轉(zhuǎn)換器進行的 TI LMG3410 直通測試：C1 = 低側(cè)開關(guān)驅(qū)動信號，CH2 = 開關(guān)節(jié)點電壓，CH3 = 高側(cè)開關(guān)驅(qū)動信號，CH4 = 初級電感器電流

我們還在同一個 LLC 串聯(lián)諧振半橋板上測試了 LMG3410 OTP，死區(qū)時間設(shè)置不正確，以迫使轉(zhuǎn)換器進入硬開關(guān)操作。我們可以觀看OTP 測試視頻。

通過在這款零Q rr GaN 器件中內(nèi)置 OCP 和 OTP ，我們已經(jīng)解決了圖騰柱開關(guān)中最令人擔(dān)憂的問題。