隨著寬帶隙（WBG）器件的推出，許多電源設計人員已開始研究基于硅上氮化鎵（GaN-on-Si）的FET的優點，適用于各種新設計和新興應用。與客戶保持一致，出現了許多供應商以滿足這些需求。然而，在走上這條道路之前，了解硅和GaN晶體管之間的關鍵差異非常重要，因為它們的驅動要求也會不同。

與硅MOSFET不同，氮化鎵（GaN）基FET的運行速度要快得多柵極閾值電壓。此外，GaN FET的內部柵極電阻要低得多，體二極管反向恢復特性要優越得多（GRR為零）。有一些輸出電容，但它明顯低于硅。1實際上，由于與硅相比較低的導通電阻（RDS（on））和柵極電荷QG，GaN晶體管的品質因數（FOM）要低得多同行。更重要的是，GaN晶體管不像MOSFET那樣受到強烈的負溫度系數的影響。因此，與硅MOSFET相比，GAN FET的驅動要求，無論是正常關斷還是開啟，都會有很大差異。因此，為了充分利用這些新型高性能晶體管，設計人員必須先了解如何有效地驅動它們，以使GaN FET的導通和開關損耗最小化。除了實現最佳柵極驅動外，PCB布局和熱設計考慮因素對于這些WBG器件同樣重要，以實現最佳系統性能和可靠性。

驅動GaN FET

為電源設計人員提供更輕松的功能德州儀器（TI）等供應商開發了針對這些WBG設備進行優化的柵極驅動器。實際上，供應商精心挑選的MOSFET驅動器具有有助于高效驅動GaN基功率FET的特性。例如，它選擇了一系列硅驅動器，其性能適合于最佳驅動高達100 V或更高電壓的各種增強型GaN（eGaN）FET。該系列的第一個產品是100 V半橋驅動器LM5113，它克服了驅動具有低閾值電壓和高dv/dt特性的晶體管的任務。它設計用于驅動高端和低端eGaN FET，提供獨立的漏極和源極輸出（圖1），從而可以獨立控制導通和關斷，而不會受到旁路二極管電壓降的不利影響在關閉狀態。產品數據表顯示該驅動器還具有0.5Ω的極低吸收阻抗，從而為低閾值電壓eGaN FET提供快速關斷路徑。

TI表示，基于硅的LM5113使用一種專有的自舉技術，用于調節大約5.25 V的高端柵極電壓，以最佳驅動eGaN功率FET，而不會超過6 V的最大柵極 - 源極電壓額定值。此外，LM5113的輸入兼容TTL邏輯，可承受高電壓無論VDD引腳的電壓如何，輸入電壓最高可達14 V.此外，為了提供靈活性，可以獨立調節導通和關斷強度，LM5113可提供分柵輸出。其他功能包括28 ns（典型值）的短傳播延遲，快速上升和下降時間以及電源軌欠壓鎖定。

圖1：優化驅動高電平和高電平低側eGaN FET，TI的驅動器LM5113提供獨立的漏極和源極輸出eGaN驅動器可以在高達幾MHz的頻率下切換，以與GaN晶體管的高開關速度兼容。它采用標準WSON-10封裝，采用12焊球DSBGA封裝，主要針對高效電源轉換（EPC）eGaN FET。為了將雜散電感降至最低，封裝尺寸最小化，允許在PCB布局期間將eGaN FET放置在靠近驅動器的位置。事實上，EPC已經使用LM5113和eGaN FET構建了幾個演示板。這些電路板展示了eGaN FET（包括驅動器）在隔離和非隔離DC/DC轉換器設計中實現的高效率，同時提供高功率密度。 EPC演示板展示的高轉換效率表明驅動器LM5113最適合驅動eGaN FET。

現在讓我們來研究一下這些評估板。

評估板

對于EPC的評估板，最新推出的產品是EPC9022至EPC9030，它提供半橋拓撲結構，帶有板載柵極驅動器LM5113以及該公司超高頻，高性能eGaN FET系列EPC8000的成員。例如，EPC9022包含兩個65 V EPC8002 GaN FET，采用半橋配置，LM5113作為柵極驅動器（圖2）。

圖2：EPC評估板采用半橋采用超高頻，高性能eGaN FET和柵極驅動器LM5113的拓撲結構。

同樣，TI已經為5 A，100 V半橋eGaN FET柵極驅動器LM5113創建了自己的評估板。它采用帶有電壓模式控制器LM5025的同步降壓轉換器，用于產生降壓和同步開關的PWM信號。2該電路板的規格，如用戶指南中所述，包括15 VDC至60 VDC的輸入工作電壓輸出電壓為10 VDC，48 VDC輸入時為10A，輸入電壓為60 VDC時為7 A.開關頻率為800 kHz。測得的效率如圖3所示，在48 VDC輸入和10 A輸出電流下顯示為93.9％。該圖顯示隨著輸入電壓下降，效率提高。在24 V輸入時，10 A時10 VDC輸出的報告效率為96％。

圖3：LM5113評估板效率與不同輸入電壓下的負載電流。

對于高功率應用，TI開發了具有獨立源和接收功能的7.6 A低端驅動器。它被指定為LM5114，經過優化，可驅動低側應用中的eGaN FET，如同步整流器和升壓轉換器。 LM5114的其他主要特性（圖4）包括匹配反相和非反相輸入之間的延遲時間以減少死區時間損耗，12 ns典型傳播延遲以實現高開關頻率，低輸入電容，TTL/CMOS邏輯兼容，和分離門輸出。對于操作，它需要一個4 V至12.6 V的單電源，并且無論VDD引腳的電壓如何，都可以處理高達14 V的邏輯輸入。該器件采用SOT-23-6和WQFN-6封裝，工作溫度范圍為-40°C至+ 125°C。

圖4：LM5114設計用于驅動低側eGaN FET。它提供獨立的源和灌電流輸出，可控制上升和下降時間。總之，TI等供應商推出了現成的柵極驅動器，可輕松滿足eGaN FET的嚴格驅動要求，從而使設計人員能夠從這些新型高性能WBG晶體管中獲取全部優勢。