9 同步 GaN 自举方法

上一节中的有源开关方法使用二极管阻断 HS 节点的高电压，并串联一个低压开关来激活或停用充电。也可以使用单个高压 FET 来发挥开关和二极管的作用。但其中一个问题是 MOSFET 具有体二极管，这意味着当器件关断时，体二极管仍会导通，并允许在死区时间内过充。

GaN FET 缺少体二极管，这为解决体二极管导通问题提供了便利。GaN FET 串联开关可在不使用额外二极管的情况下防止自举过充，如图 9-1 所示。如前所述，缺少体二极管并不意味着 GaN FET 在死区时间内无法导通。但是，可以调节自举 GaN FET 的压降以匹配低侧 GaN FET 的压降。匹配每个 FET 的压降可以消除负电压，并防止过充。

M1 是同步自举 GaN FET。M1 需要一个阻断电压来处理满电 HS 电压，最好具有较低的 Coss 和 Cgs（用于快速开关）。M1 GaN FET 源极连接到 VDD 并用 LO 驱动，就像上一节中的 LMG1210 一样。此外，由 D1 和 C1 组成的电平转换器将 LO 信号升至高于 VDD。需要电平转换器是因为 GaN FET 的源极连接到 VDD 而非 0V，因此 LO 需要高于 VDD 才能获得正 Vgs。

使用同步 GaN FET 自举有一些优点。正常充电期间的正向压降小于二极管的 VF，这意味着自举电压更接近 VDD。这种方法还可通过减少串联元件而提高效率，从而防止自举过充。GaN FET 没有反向恢复电荷或时间，这使得该设计在高开关频率下有效。

在图 9-2 中，在电平位移电路中使用了不同的 VF 二极管。具有 0.3V 低 VF 的二极管允许在死区时间内进行更多充电，如 10ns 左右的电流尖峰所示。IBoot 的振幅与电平位移二极管的 VF 有关。在大约 60ns 的第二个死区时间中，1.2V VF 二极管不允许导通。

方程式 1 表明 VGoff 部分确定了 VSD。电平转换电路中的二极管具有正向压降。此 VF 会导致 GaN FET 自举的有效 Vgs 随二极管压降降低。GaN FET 的 Vgs 不是 0V 至 5V，而是 –0.7V 至 4.3V。因此，VGoff 等于二极管的 VF。目标是将自举 GaN FET 的 VSD 与低侧 GaN FET 的 VSD 相匹配，因此选择具有不同 VF 的二极管是实现这一目标的不错方法。

肖特基二极管和 GaN FET 不具有反向恢复。但是，两者都具有有效电容，需要在每个开关周期进行充电和放电。对该电容进行充放电会产生与开关频率成正比的损耗。GaN FET 的 Coss 小于等效肖特基二极管的电容。因此，与肖特基二极管相比，GaN FET 自举具有更少的恢复损耗，并且在高开关频率下更高效。