數十年來，矽來料一直統治著電晶體世界。但這個狀況在發現了砷化鎵（GaAs）和砷化鎵、磷（GaAsP）等不同特性的材料後,已經逐漸開始改變。由開發了由兩種或三種材料製成的化合物半導體，它們具有獨特的優勢和優越的特性。但問題在於化合物半導體更難製造且更昂貴。雖然它們比矽具有明顯的優勢。作為解決方案出現的兩個化合物半導體器件是氮化鎵（GaN）和碳化矽（SiC）功率電晶體。這些器件可與壽命長的矽功率LDMOS MOSFET和超結MOSFET競爭。GaN和SiC器件在某些方面相似，可以幫助您為下一個產品設計做出決定。
氮化鎵(GaN)是最接近理想的半導體開關的器件，能夠以非常高的效能和高功率密度來實現電源轉換。其效能高於當今的矽基方案，輕鬆超過伺服器和雲資料中心最嚴格的80+規範或 USB PD 外部適配器的歐盟行為準則 Tier 2標準。雖然舊的矽基開關技術聲稱性能接近理想，可快速、低損耗開關，但GaN器件更接近這些需求及應用。不過GaN元件在某些方面又不如舊的矽技術強固，因此需謹慎應用，為了充分發揮該技術的潛在優勢，外部驅動電路必須與 GaN 器件匹配顯得極為重要。對於給予正確的閘極驅動方式來實現最佳性能和可靠性。本文著眼於這些問題，給出一個驅動器方案，解決設計過程的風險。
GaN驅動器對性能至關重要，驅動器使驅動電壓保持在電壓最大限值內並不是唯一的要求。對於快速開關，雖然 GaN 也有閘極電容的特性，但在閘極的有效串聯電阻和驅動器中功率被耗散。因此，使電壓擺幅保持最小很重要，特別是在頻率很高的情況下。通常，對於 GaN 來說，Qg約是幾nC，約是類似Si_Mos的十分之一-這也是 GaN 能夠如此快速開關的原因之一。GaN 元件是由電荷控制的，因此對於nS等級的開關速度，必須由驅動器快速提供並同時保持精確穩定的電壓。理論上，GaN 器件在 VGS = 0安全關斷，但在現實世界中，即使是最好的門極驅動器，直接施加到門極的電壓也不可能是0V。在閘極驅動回路中的任何串聯電感L都會對閘極驅動器產生相反的電壓，這會導致GAN元件的假開關動作。一種解決方案是提供一個負門極關斷電壓，可能-2或-3V，但這使門極驅動電路更加複雜。
在所有應用中，layout是成功的關鍵。下圖顯示了一個採用安森美半導體的 NCP51820的示例 layout布局，微型化並匹配門驅動回路。GaN 器件和驅動器被置於PCB同側，通過適當地使用接地/返回面來避免大電流通孔。
►場景應用圖
►展示板照片
►方案方塊圖
►NCP51820標準驅動線路
►Test waveform-1
►Test waveform-2
►核心技術優勢
NCP51820 NCP51820高速柵極驅動器用於滿足嚴格的驅動增強模式（e-mode），高電子遷移率電晶體（HEMT）和柵極注入電晶體（GIT），氮化鎵（GaN）電源開關的要求。 NCP51820通過先進的技術提供短而匹配的傳播延遲，為高端驅動器提供−3.5 V至+650 V（典型值）共模電壓範圍，為低端驅動器提供−3.5 V至+3.5 V共模電壓範圍驅動能力。 此外，該器件還為高速開關應用中的兩個驅動器輸出級提供高達200 V / ns的穩定dV / dt操作。 為了充分保護GaN功率電晶體的柵極免受過大的電壓應力，兩個驅動級均採用專用的電壓調節器來精確維持柵極-源極驅動信號的幅度。 該電路可主動調節驅動器的偏置軌，從而在各種工作條件下防止潛在的柵源過電壓。 NCP51820提供重要的保護功能，例如獨立的欠壓鎖定（UVLO），監視VDD偏置電壓以及VDDH和VDDL驅動器偏置以及基於器件裸片結溫的熱關斷功能。 可程式設計死區時間控制可以配置為防止交叉傳導。 NCP1616 NCP1616是一款高壓PFC控制器，旨在基於創新的電流控制頻率折返（CCFF）方法來驅動PFC升壓級。在這種模式下，當電感器電流超過可程式設計值時，電路將以臨界導通模式（CrM）工作。當電流低於此預設水準時，NCP1616在正弦過零處將頻率線性衰減至最低約26 kHz。CCFF使額定負載和輕負載下的效率最大化。特別地，待機損耗被減小到最小。即使降低了開關頻率，創新的電路也允許接近−單位的功率因數。 集成的高壓啟動電路消除了對外部啟動元件的需求，並且在正常工作期間功耗可忽略不計。NCP1616封裝在SOIC-9封裝中，具有堅固，緊湊的PFC級所需的功能，幾乎不需要外部元件。 NCP13992 NCP13992是用於半橋諧振轉換器的高性能電流模式控制器。該控制器實現600 V柵極驅動器，簡化了佈局並減少了外部組件數量。在需要PFC前級的應用中，NCP13992偵測PFC Vbulk電壓的腳位，可控制IC在特定的電壓範圍內工作。當電壓變化超過設定,會觸發Brown−out保護。在空載運行期間NCP13992具有讓PFC和LLC共用電阻分壓器的方法，共用大容量電阻分壓器，進一步降低空載的功率損耗。NCP13992提供了一系列保護功能，可在任何應用中安全運
►方案規格
輸入電源:90 – 265 V 輸出電源:19 V/ 18 A max(RMS) Efficiency:95%Load(230Vac), 0% Load<150 mW @ 230 Vrms