GaN FET 在高频 DC-DC 转换器等电源系统中越来越受到青睐。
因此，电力电子领域的大多数主要厂商都推出了氮化镓 (GaN) 功率 FET，这些器件利用了GaN独特的特性——减少栅极电荷 (Qg)、输出电容 (COSS) 和反向恢复损耗——从而实现更快地切换并节省更多电量。
GaN FET 的开关速度非常快，因此可以使用更小的无源元件以及变压器、电感器和其他磁性元件，从而节省空间和成本，但 GaN 的独特特性也带来了严峻的挑战。
ADI多重市场电力部门董事总经理AI Wu表示，如果没有专门设计用于控制 GaN 功率 FET 的栅极驱动器 IC，则很可能会影响性能，甚至会增加对 FET 造成永久性损坏的风险。
为了提供更稳健、更可靠的控制，ADI推出了一款栅极驱动器 IC，可提供峰值 4A 的拉电流和高达 8A 的灌电流，以及快速传播延迟，以挖掘 GaN 功率FET的潜力。Wu 表示，作为该公司首款专为 GaN 设计的栅极驱动器，LT8418 还可以承受快速开关速度（每纳秒高达 50V）下可能出现的高电压瞬态 (dv/dt)。ADI在APEC 2024上宣布推出了该款栅极驱动器。
除了提供大的拉电流和灌电流之外，100V栅极驱动器还提供 0.6Ω 上拉电阻和 0.2Ω 下拉电阻，以适应 FET 的开启和关闭速率。该 IC 集成了一对驱动级，因此能够控制半桥拓扑中的两个 GaN 功率 FET。此外，它还可以配置为全桥或降压、升压和降压-升压拓扑。
Wu 表示，栅极驱动器 IC 主要适用于高频 DC-DC 转换器。它还适用于升级到 GaN 的数据中心的电机驱动器和电源，以节省空间和电力。
栅极驱动器：解锁更快开关速度的关键
栅极驱动器在电力电子领域发挥着核心作用。 它充当 MCU 或脉宽调制 (PWM) 控制器与 FET 之间的接口，控制器可输出信号来控制电源的占空比、频率和死区时间等功能。 由于 FET 的功率输出质量会影响电源的性能，因此在选择栅极驱动器 IC 时必须小心。
虽然 GaN 功率 FET 的开关速度比硅更快，但它们必须处理高瞬态电压 (dv/dt)，这代表开关时电压随时间变化的速率。 Wu 表示，功率 FET 的漏极和源极之间的高 dv/dt 可能会导致多种问题：功率损耗过大、误切换，甚至对器件造成永久性损坏。栅极驱动器有责任仔细控制和驱动 FET 并防止任何意外后果。
FET 在导通和截止状态之间保持的时间越长，开关瞬态损失的功率就越多。 用于驱动器件中栅极的电流决定了转换所需的时间。 如果有足够的电流流入 FET，电压就会上升到器件自行开启的点。 栅极驱动器必须能够在开关过程中提供高电流，以处理快速转换速率。 这样做可以减少死区时间，从而减少 FET 所经历的功率损耗以及产生的热量。
LT8418 是一款具有独立导通和关断路径的分离栅极驱动器。 Wu 表示，这样做可以调整 GaN 功率 FET 的开启和关闭压摆率，以限制振铃并减少电磁干扰 (EMI)，EMI会在快速开关下产生，并对系统造成影响。 高侧和低侧输出具有独立的上拉 (0.6 Ω) 和下拉 (0.2 Ω) 电阻，可用于调整开启和关闭时间。
Wu 表示，栅极驱动器的输入和输出也具有默认的“低”，以防止功率 FET 错误地自行开启。 根据 dv/dt，GaN FET 的栅极输入端可能会产生过电压。 该电压基于其栅极-漏极电容 (Cgd) 和栅极-源极电容 (Cgs) 之间的比率或流向放置在栅极前面的电阻器的电流，该电压可能会导致 FET 意外导通。
Wu 警告说，GaN 功率 FET 的另一个挑战是其内部的栅极容易受到电压尖峰的影响，特别是电源拓扑高压侧的 FET，从而造成永久性损坏。 在内部栅极关闭和开启之间的死区时间间隔内，GaN 功率 FET 从源极到漏极可能会经历 2 至 3V 的压降，在某些情况下甚至更高，然后电压降将添加到电源电压上并可能导致过压。
既然需要防止任何损坏，需要非常准确地向 GaN FET 提供电压，这就要采用某种形式的电源调节。 一般来说，栅极驱动器 IC 与单独的 DC-DC 偏置电源或自举二极管配对，以提供自举电压，以帮助驱动高压侧的 GaN 的栅极。但是，LT8418 集成了一个“智能开关”，可以以最小压差完全控制 VCC 的平衡自举电压输出。
内部的“智能”自举开关用于调节高侧栅极驱动电压，使其在 GaN FET 的安全工作区 (SOA) 内运行，确保在所有条件下都能充分可靠地运行。
栅极驱动器的损耗
为了跟上超过 1 MHz 的快速开关频率，如上所述，LT8418 泵出 4 A 的峰值拉电流和 8 A 的灌电流，以实现 GaN 功率场效应管的快速开通和关断。
Analog Devices 表示，该栅极驱动器的电源电压为 3.85 至 5.5 V，具有 10 ns 的快速传播延迟，并在顶部和底部通道之间保持 1.5 ns 的延迟匹配。
这样可以响应来自电源核心的 MCU 或其他控制器的 PWM 信号，以更高的保真度更准确地再现所需的电源开关波形。
GaN 功率 FET 的另外独特性之一是器件内部没有体二极管，从而消除了反向恢复损耗 (Qrr)。 Wu 表示，通过消除这些功率损耗，GaN FET 可以在高频、硬开关拓扑中提供更好的效率。
尽管如此，GaN 功率 FET 仍可能会出现反向电流传导形式的功率损耗。 通过尽可能减少接通和断开周期之间的死区时间，可以最大限度地减少此类传导损耗。
较短的传播延迟也有意义，因为它可以使 FET 的开启和关闭周期之间的死区时间更短且变化更小，从而减少快速变换期间可能增加的功率损耗和热量。 栅极驱动器包含一对完全独立的 PWM 输入（半桥的高侧和低侧各一个）。 它们还具有逻辑兼容性，以便需要更精确的控制。
LT8418 采用尺寸为 1.67 × 1.67 mm 的紧凑型 WLCSP BGA 封装，以降低寄生电感，使其能够广泛应用于高性能和高密度电源系统。
栅极驱动器配备了多种内部保护功能，包括过压和欠压锁定 (UVLO) 保护，以防止 GaN 功率器件在驱动电压不足的情况下开启。