9 同步 GaN 自舉方法

上一節中的有源開關方法使用二極管阻斷 HS 節點的高電壓，并串聯一個低壓開關來激活或停用充電。也可以使用單個高壓 FET 來發揮開關和二極管的作用。但其中一個問題是 MOSFET 具有體二極管，這意味著當器件關斷時，體二極管仍會導通，并允許在死區時間內過充。

GaN FET 缺少體二極管，這為解決體二極管導通問題提供了便利。GaN FET 串聯開關可在不使用額外二極管的情況下防止自舉過充，如圖 9-1 所示。如前所述，缺少體二極管并不意味著 GaN FET 在死區時間內無法導通。但是，可以調節自舉 GaN FET 的壓降以匹配低側 GaN FET 的壓降。匹配每個 FET 的壓降可以消除負電壓，并防止過充。

M1 是同步自舉 GaN FET。M1 需要一個阻斷電壓來處理滿電 HS 電壓，最好具有較低的 Coss 和 Cgs（用于快速開關）。M1 GaN FET 源極連接到 VDD 并用 LO 驅動，就像上一節中的 LMG1210 一樣。此外，由 D1 和 C1 組成的電平轉換器將 LO 信號升至高于 VDD。需要電平轉換器是因為 GaN FET 的源極連接到 VDD 而非 0V，因此 LO 需要高于 VDD 才能獲得正 Vgs。

使用同步 GaN FET 自舉有一些優點。正常充電期間的正向壓降小于二極管的 VF，這意味著自舉電壓更接近 VDD。這種方法還可通過減少串聯元件而提高效率，從而防止自舉過充。GaN FET 沒有反向恢復電荷或時間，這使得該設計在高開關頻率下有效。

在圖 9-2 中，在電平位移電路中使用了不同的 VF 二極管。具有 0.3V 低 VF 的二極管允許在死區時間內進行更多充電，如 10ns 左右的電流尖峰所示。IBoot 的振幅與電平位移二極管的 VF 有關。在大約 60ns 的第二個死區時間中，1.2V VF 二極管不允許導通。

方程式 1 表明 VGoff 部分確定了 VSD。電平轉換電路中的二極管具有正向壓降。此 VF 會導致 GaN FET 自舉的有效 Vgs 隨二極管壓降降低。GaN FET 的 Vgs 不是 0V 至 5V，而是 –0.7V 至 4.3V。因此，VGoff 等于二極管的 VF。目標是將自舉 GaN FET 的 VSD 與低側 GaN FET 的 VSD 相匹配，因此選擇具有不同 VF 的二極管是實現這一目標的不錯方法。

肖特基二極管和 GaN FET 不具有反向恢復。但是，兩者都具有有效電容，需要在每個開關周期進行充電和放電。對該電容進行充放電會產生與開關頻率成正比的損耗。GaN FET 的 Coss 小于等效肖特基二極管的電容。因此，與肖特基二極管相比，GaN FET 自舉具有更少的恢復損耗，并且在高開關頻率下更高效。