硅功率MOSFET為電路設計人員提供了許多優(yōu)勢，使其成為許多應用中的明顯選擇。它提供高開關速度和低導通電阻，與之前的雙極晶體管不同，MOSFET不會受到熱失控的影響。制造技術的進一步發(fā)展使得可以使用垂直配置，并聯(lián)多個晶體管的設備，進一步降低了導通電阻。

在幾十年的時間里，制造商對基本設計進行了改進，設置導通電阻和擊穿電壓的新標準。然而，這些參數(shù)通常需要在MOSFET設計中相互折衷。增加擊穿電壓的技術往往會推高導通電阻。因此，諸如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等競爭器件已經(jīng)取得了進展，其應用需要比MOSFET更高的擊穿電壓額定值。

一種選擇是更換材料。氮化鎵（GaN）和碳化硅是硅的潛在替代品，由于這些材料具有更高的帶隙，因此可以在不影響導通電阻的情況下支持擊穿電壓的大幅增加，如圖1所示。

圖1：硅，SiC和GaN的導通電阻與擊穿電壓關系圖，顯示最近推出的GaN晶體管。

SiC和GaN的臨界電場強度均高于硅，給予它們導通電阻和擊穿電壓之間的優(yōu)越關系。這使得器件可以做得更小，并且電氣端子可以在給定的擊穿電壓要求下更緊密地聯(lián)系在一起。如果不是作為硅的替代品，GaN已經(jīng)顯示出前景，那么作為擴展功率MOSFET的范圍的一種方式新的和苛刻的應用。 GaN器件是高電子遷移率晶體管（HEMT），其提供比硅和SiC器件更高的電子速度。高遷移率源于二維電子氣在組分材料之間的界面處形成的方式。這種氣體中的載流子比硅等材料更自由地移動。因此，GaN晶體管更適合用于高頻功率開關電路，可以提供更高的效率，同時減少電容器和電感器所需的電路板空間。此外，GaN器件能夠在高溫條件下工作對硅器件有挑戰(zhàn)性。 GaN晶體管的高溫操作可以減少硅基電力電子設備可能需要的散熱器和冷卻風扇的尺寸，從而可以進一步縮小電力電子設備的體積和重量，超出簡單移動的范圍更高頻率的交換架構。

由于具有較高的臨界場強，因此對于給定的擊穿電壓和電流額定值，GaN基器件可以比其硅對應物更小。器件和電路尺寸的組合以及較少的冷卻支持可以減小整體尺寸和重量，這在運輸和國防應用中非常重要。這些應用是關鍵參數(shù)。最初，GaN功率器件是在藍寶石襯底上構建的。主要是耗盡型器件，這使它們在很大程度上不適合電源應用。出于安全性和可靠性的原因，電源開關設備應設計成通常關閉。 GaN MOSFET正在出現(xiàn)，提供增強型，常關操作。

與此同時，硅正在成為GaN的有效基板，具有成本更低和與現(xiàn)有硅供應鏈兼容的優(yōu)勢。高效電源轉換（EPC）等供應商已通過增強型晶體管進入市場。盡管目前市場上采用商用GaN-on-silicon晶體管的廠商數(shù)量很少，但國際整流器公司等公司計劃在2014年推出產品。

圖2：橫截面增強型GaN晶體管的問題。即使在其發(fā)展的早期階段，硅基GaN也已經(jīng)能夠勝過硅MOSFET。圖1不僅顯示了GaN在擊穿電壓與導通電阻方面的理論性能，兩者都很容易超過硅的能力，而且兩個來自EPC的GaN器件已經(jīng)超出了圖中的硅線。其他優(yōu)勢包括低柵極漏電流和材料的大導帶偏移（3.6 eV），使得所得晶體管不易受熱電子和其他可能降低可靠性的因素的影響。

作為增強型器件，GaN晶體管表現(xiàn)為與硅功率MOSFET類似的方式。正柵極 - 源極電壓差吸引電子進入溝道，以在源極和漏極之間形成雙向溝道。當電子匯集在二維氣體中時，導電通道的總電阻非常低。然而，如果從柵極移除電壓，則其下方的電子分散，移除導電溝道并關閉器件。

為了實現(xiàn)高擊穿電壓，需要增加漏極和柵極之間的距離。然而，由于電子氣的存在，這對電阻的影響不如硅器件那么大。

與大多數(shù)采用垂直通孔溝道結構的硅功率MOSFET相比， GaN晶體管結構是橫向的，類似于邏輯MOSFET的結構。這種結構為晶體管提供了低柵極電荷，這進一步提高了品質因數(shù)（FoM）和非常高性能的開關，很好地進入了傳統(tǒng)拓撲結構的兆赫范圍。這將導致更小的功率轉換器和其他電路（如數(shù)字音頻放大器）的更高性能橫向GaN結構的另一個好處是導電器件中不涉及少數(shù)載流子。因此，沒有反向恢復損耗往往會限制硅器件的開關頻率。

雖然GaN器件的性能非常好，但設計人員在使用時需要牢記這些因素。高頻率切換為電源控制拓撲提供了新的機會，但要實現(xiàn)高性能和低損耗，需要特別注意布局和支持電路設計。

GaN功率器件需要相對較低的電壓才能工作。通過柵極和源極之間的5V電壓實現(xiàn)器件通道的完全增強。但是，重要的是不要過度驅動門;柵極驅動電平不應超過典型GaN器件的6 V最大額定值，以避免對其結構造成潛在損壞。這需要比通常使用松散調節(jié)的基于變壓器的結構的硅器件更嚴格的電壓控制。

變壓器和電感器等器件的柵極電路中的過大電感可以輕松驅動電壓超過5 V短期。隨著柵極電感的增加，電壓振鈴變得更強，從而驅動可能損壞柵極結構的峰值電壓。

可以使用多種技術來降低電感。一種是使用穩(wěn)壓器結構，例如低壓差（LDO）器件來為柵極驅動提供電源。 PCB技術可用于限制電感，例如確保將驅動器放置在靠近待驅動器件的位置，并確保引線長度保持小于1 cm。用于高速運行的驅動器上的小外形封裝將有助于限制引線電感。柵極驅動和返回線可以使用帶狀線技術相互疊加，以減少環(huán)路電感。

制造商不建議使用齊納二極管作為電壓限制器，因為它們具有相當大的電容，導致開關速度變慢GaN晶體管，消除了GaN材料的關鍵優(yōu)勢之一。然而，由于漏極處的高dV/dt擺幅，GaN的非常快的開關特性引入了進一步的電路影響。由于米勒電容，高電平的dV/dt會導致高電流流動在閘門和排水管之間。在半橋拓撲結構中，具有相對較高導通電阻的小型驅動器可能會導致低端器件意外接通。這種現(xiàn)象會增加直通電流的風險，并且隨之而來的是浪費能量的增加，這將削弱GaN開關可能帶來的潛在效率增益。因此，驅動器的選擇不僅受電流和開關時間要求的控制，而且還需要為大dV/dt瞬態(tài)產生的雜散電流提供低阻抗路徑。

德州儀器（TI）的LM5113半橋驅動器和LM5114低側驅動器旨在解決諸如過驅動柵極和限制瞬態(tài)影響等問題。通過集成GaN柵極驅動器功能，器件可以通過考慮功率晶體管的需求來節(jié)省電路板空間并簡化設計。

圖3：TI LM5113柵極驅動器的框圖。

LM5113采用專門技術將高端電壓調節(jié)在5.25 V左右，并確保不超過6 V的最大柵源電壓。此外，LM5113具有低阻抗下拉路徑，限制為0.5Ω，可防止高dV/dt事件導致的不良導通事件，以及快速關斷路徑。

橋式驅動器具有獨立的漏極和源極輸出，可提供導通強度與關斷強度方面的靈活性，并且無需在驅動器路徑中使用二極管。

LM5114具有7.6 A的驅動電流，適用于使用更大FET的高功率應用，或并聯(lián)使用的多個功率器件。雖然硅上GaN只是剛剛開始進入市場，但市場上的產品允許工程師利用其優(yōu)勢。使用離散控制或使用TI制造的專用支持設備組合材料。