【導讀】電源轉換領域用上氮化镓（GaN）器件後，能實現更高能量密度和更快開關速度，但GaN FET沒有體二極管，且柵極電壓限製嚴苛，死區時間的設置成了老大難問題。死區時間太短會引發“直通”，直接損壞器件；太長又會讓反向導通損耗飆升，拉低效率。本文以15V-36V輸入、12V/15A輸出的LTC7891降壓轉換器為例，解析其開關邏輯
，分析死區時間對器件性能壽命的影響，分享含探頭選擇、布局優化的測量技巧
，助力平衡效率與器件安全。

引言

在電源轉換領域引入氮化镓(GaN)等寬帶隙FET器件
，能夠實現更高的能量密度
、更快的開關速度和更低的損耗，這主要得益於這類器件顯著降低的柵極電容(Cg)。然而
，GaN FET的VGS限(xian)製(zhi)非(fei)常(chang)嚴(yan)格(ge)，且(qie)其(qi)不(bu)具(ju)備(bei)體(ti)二(er)極(ji)管(guan)。因(yin)此(ci)
，如(ru)果(guo)為(wei)了(le)避(bi)免(mian)柵(zha)極(ji)振(zhen)鈴(ling)而(er)降(jiang)低(di)柵(zha)極(ji)擺(bai)率(lv)，則(ze)在(zai)較(jiao)長(chang)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)下(xia)，反(fan)向(xiang)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)會(hui)大(da)幅(fu)增(zeng)加(jia)。此(ci)外(wai)，GaN FET同樣容易遭受直通效應的有害影響。因此，為了充分利用這類器件，必須優化死區時間。來看一下圖1所示的典型應用。這是一種15 V至36 VIN
、12 V/15 A降壓轉換器
，采用LTC7891。這款器件專門設計用於驅動GaN器件。我們將以此應用電路為例

，探討如何準確測量死區時間和過衝，同時優化柵極電阻。

圖1.800 kHz、15 V到36 VIN
、12 V降壓型穩壓器提供高達15 A的輸出

關於開關操作的考慮因素

這款降壓轉換器具有智能近零死區時間，其開關網絡由驅動控製開關Q1頂部柵極(TG)和同步開關Q2底部柵極(BG)的控製器組成。頂部柵極通過單獨的上拉/下拉電阻（TGUP、TGDN）驅動，底部柵極通過單獨的上拉/下拉電阻（BGUP、BGDN）驅動。每個開關周期中的開關電流利用輸出濾波器網絡L1和COUT進行平均
，產生一個穩定輸出電壓。

理想轉換器的開關沒有能量損耗，其通斷會瞬時完成且完全同步。然而
，雖然GaN FET因yin其qi低di電dian容rong而er能neng夠gou比bi其qi他ta技ji術shu更geng快kuai地di導dao通tong和he關guan斷duan，但dan在zai控kong製zhi器qi指zhi令ling開kai關guan導dao通tong與yu開kai關guan達da到dao完wan全quan導dao通tong狀zhuang態tai之zhi間jian仍reng存cun在zai延yan遲chi。開kai關guan的de關guan斷duan也ye是shi如ru此ci。由you於yu這zhe種zhong延yan遲chi
，開kai關guan存cun在zai轉zhuan換huan損sun耗hao，構gou成cheng了le開kai關guan操cao作zuo總zong損sun耗hao中zhong不bu可ke忽hu略lve的de重zhong要yao部bu分fen。這zhe些xie損sun耗hao會hui轉zhuan化hua為wei開kai關guan熱re量liang
，從cong而er影ying響xiang效xiao率lv
，並bing最zui終zhong對duiFET的運行施加熱限製。如何有效應對這些由非理想開關施加的限製呢
？

如果兩個開關同時完全導通（哪怕持續時間非常短暫）
，低RDS(ON)將造成VIN與GND之(zhi)間(jian)短(duan)路(lu)，最(zui)終(zhong)將(jiang)導(dao)致(zhi)開(kai)關(guan)徹(che)底(di)失(shi)效(xiao)。如(ru)果(guo)兩(liang)個(ge)開(kai)關(guan)均(jun)處(chu)於(yu)部(bu)分(fen)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)，高(gao)漏(lou)電(dian)流(liu)將(jiang)導(dao)致(zhi)瞬(shun)時(shi)高(gao)溫(wen)
，此(ci)現(xian)象(xiang)會(hui)致(zhi)使(shi)開(kai)關(guan)承(cheng)受(shou)熱(re)應(ying)力(li)，進(jin)而(er)縮(suo)短(duan)其(qi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)就(jiu)是(shi)所(suo)謂(wei)的(de)“直通”（圖2）。在初始切換階段，大約有8 ns的死區時間，開關電流首先以正常di/dtsulvdadaoshurudianliushuiping，suihousuizhedianganchongdianerzhujianshangsheng。xiayizhuanhuanjieduanjuyouduichengdeshangshengyanhexiajiangyan
，lianggejingtiguankeyitongshichuyubufendaotongzhuangtai
，daozhiloujidianliuchuxianmingxiandejianfeng
，danrengdiyuI(DS)MAX。最後的轉換階段允許導通時間重疊2 ns，漏極電流尖峰遠超FET額定漏極電流。

圖2.死區時間不足導致的直通

為wei了le避bi免mian這zhe種zhong情qing況kuang，控kong製zhi器qi關guan斷duan一yi個ge開kai關guan後hou
，應ying延yan遲chi另ling一yi個ge開kai關guan的de導dao通tong，此ci延yan遲chi時shi間jian被bei稱cheng為wei死si區qu時shi間jian。隻zhi有you設she定ding的de死si區qu時shi間jian足zu夠gou長chang，使shi器qi件jian有you足zu夠gou時shi間jian完wan成cheng完wan全quan導dao通tong和he完wan全quan關guan斷duan狀zhuang態tai的de轉zhuan換huan
，才cai能neng防fang止zhi直zhi通tong現xian象xiang（圖2）。但是
，如果此時間過長會發生什麼？MOSFET具有寄生二極管，它會在FET仍處於關斷狀態的同時，箝位開關節點並防止反向擊穿。FET完全導通所需的時間越長
，這種暫態VF × IDS功率損耗對效率的影響就越大。隻有當FET完全導通後，才能用低得多的IDS2 × RDS(ON)損耗替代（通常為0.8 V到1.0 V的）VF × IDS功率損耗。GaN FET則沒有這種體二極管結構。在反向電壓下，GaN FET會箝位在高得多的電位，橫向晶體管結構的典型箝位電壓為2 V。這意味著
，即使是適中的死區時間，也會造成過高的功率損耗，因此GaN FET控製器需要盡可能減少死區時間。為了解決這一問題，基於MOSFET的設計通常在同步開關的MOSFET兩端並聯一個肖特基二極管
，以降低死區期間的正向壓降。然而，在GaN所適用的高頻開關應用中，二極管的結電容會迅速成為損耗的主要來源。與這些考慮因素相關的利弊權衡如表1所示。

表1.48 V至12 V
、500 kHz FSW、20 ns死區時間下的損耗

表2.DTC模式配置

基於GaN的設計現在似乎陷入了兩難境地。死區時間設定過短，可能導致直通故障，使開關器件瞬間損毀；ersiqushijianshedingguochang
，zekenengyinfaguore，daozhiqijianyinhandianshixiaoercongdianlubantuoluo。ruhezaigaoxiaozhuanhuanyuchongzuanquanyuduzhijianqudeshidangdepingheng？jiejuezheyinantidezuijiandanfangfa
，huoxushixuanyongjubeizhinengjinlingsiqushijianhuoxinpianjizishiyingsiqutexingdezhuanhuanqi。LTC7890和LTC7891降壓控製器分別是雙通道/單通道降壓設計
，專門用於驅動GaN FET
，具有引腳可選的智能近零死區時間、自適應死區時間和精密電阻可調死區時間控製選項。這種架構能夠巧妙地測量實際VGS和VSW電dian平ping
，從cong而er智zhi能neng地di控kong製zhi時shi序xu，確que保bao驅qu動dong任ren何he器qi件jian時shi都dou能neng實shi現xian精jing確que性xing和he安an全quan性xing。其qi核he心xin在zai於yu通tong過guo快kuai速su調tiao整zheng來lai精jing準zhun控kong製zhi死si區qu時shi間jian。與yu傳chuan統tong的de開kai環huan柵zha極ji驅qu動dong不bu同tong

，它ta會hui實shi時shi調tiao整zheng死si區qu時shi間jian，確que保bao開kai關guan的de導dao通tong和he關guan斷duan完wan全quan按an照zhao控kong製zhi器qi的de指zhi令ling發fa生sheng，而er非fei受shou柵zha極ji信xin號hao
、寄生柵極電阻和電容所左右。這樣不僅能有效降低反向導通損耗，還能充分利用GaN固有的近零反向恢複損耗特性。關於這些工作模式的完整指南，請參見表2。用戶隻需驗證設定的模式和時序是否正確實現。不過，驗證過程本身也存在一些挑戰，設計人員必須首先解決這些挑戰。

測量和布局考慮因素

要準確測量死區時間和過衝波形，必須高度重視探測技術及其實施。相對於MOSFET
，GaN FET具有非常嚴格的VGS限製，其典型值為5 V，而ABSMAX為+6 V到-4 V。強柵極驅動結合寄生電抗元件會導致振鈴，即便短暫的電壓偏移也可能損壞GaN器件。與MOSFET相比，GaN柵極對驅動引腳展現出更低的電容，這一特性使GaNzaigaopinyingyongzhonggengyouyoushi。raner，tantoubenshenhuiyinrujishengdiankangyuanjian，kenenghuishiboxingshizhen，daozhiceliangjieguowufazhunquefanyingzhajizaiweibeitanceshidezhenshibiaoxian。yongshouwozhutantoubingshiyongzuishaodefuzhushebei
，shiyizhongcunzaijiaodafengxiandezuofa。shouyidanhuatuo，houguokenengxiangdangyanzhong。chuantongdeeyujiayinxianyebushihezhezhongqingkuang。ruguodingbuzhajihekaiguanjiediandehuiliulujingshezhiheli
，chuantongshangtuijianshiyongdingzhiweixiantancejishu，yihuodelianghaodeshiboqiceliangjieguo（圖3）。但對於浮空頂部柵極，這種探測方法依然存在問題。一種解決方案是使用諸如MMCX樣式的連接器
，或使用可以適配MMCX探(tan)頭(tou)尖(jian)端(duan)的(de)排(pai)針(zhen)。底(di)部(bu)柵(zha)極(ji)可(ke)將(jiang)接(jie)地(di)端(duan)作(zuo)為(wei)基(ji)準(zhun)

，而(er)頂(ding)部(bu)柵(zha)極(ji)可(ke)將(jiang)開(kai)關(guan)作(zuo)為(wei)基(ji)準(zhun)
，因(yin)此(ci)必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)某(mou)種(zhong)形(xing)式(shi)的(de)隔(ge)離(li)探(tan)頭(tou)。在(zai)頂(ding)部(bu)柵(zha)極(ji)的(de)測(ce)量(liang)中(zhong)，光(guang)學(xue)探(tan)頭(tou)（例如Tektronix TIVP或漂移更小的新型TICP）可以提供這種隔離
，並利用MMCX連接器。圖4顯示了一個正在進行的典型LTC7891死區測量設置
，MMCX連接器位於FET柵極引腳正下方，並耦合到1 GHz光學探頭。

圖3.對底部柵極和開關應用適當的探頭技術，有效降低振鈴偽影

圖4.Tektronix TIVP100光學探頭通過MMCX連接器連接到頂部柵極

連接器本身是就是一種權衡的體現。表麵貼裝MMCX連接器會占用電路板空間

，這對於那些要求緊湊布局和高功率密度的設計而言
，無疑是一個問題。如果連接器被（理想地）直接部署於FETdezhajiheyuanjiyinjiaozhijian，qiebuyinruewaidezhajizouxian

，zhekenengdaozhibujubiyuqigengfensan。lingyifangmian，ruojianglianjieqifangzhizaibujudebianyuan
，zehuiyinruewaidezouxiandianganhedianzu
，jinerjiangdiceliangzhunquedu。lingyizhongfanganshishiyongtongkongjietou
，zhexiejietoujinyongyuceliang，zaizuizhongzhuangpeishikeyichu。danshi，zhezhongfanganxuyaojiezhushipeiqi
，bujinhuilveweizengjiajishengxiaoying，haiyaozaihanpanduidiejiegoudesuoyoucengshangdouyuliuhuanxingkaikou。tongguoheliquanhenggexiangyinsubingyouhuadianlubuju，keyouxiaoyizhitantoujishengcanshuyinqideguochongyuzhenling（圖5）。紅框中的原始布局將MMCX連接器牢固連接到開關節點，柵極節點通過通孔和內部走線連接到GaN FET的柵極焊盤。紅色波形顯示振鈴幅度超過+6.4 V/–9.1 V。仍使用相同的2.2 Ω上拉/1.0 Ω下拉柵極電阻，但修改藍框中的布局
，將MMCX本體與開關節點分開，代之以開爾文連接，由此測得的藍色波形顯示，頂部柵極關斷時的振鈴幅度降低至+2.4 V/–1.8 V。值得注意的是
，即使隻是對電路布局進行些許調整，也可能顯著影響過衝的測量結果
，而這一參數對於抑製過衝並避免GaN FET被過度驅動至關重要。

圖5.頂部柵極關斷波形，顯示了探頭連接中寄生參數的影響。紅色：非開爾文連接；藍色：基於開爾文連接的MMCX連接器。20 ns/div
、2 V/div使用Tektronix TIVH 1 GHz光學探頭。

一(yi)旦(dan)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)得(de)到(dao)驗(yan)證(zheng)，驗(yan)證(zheng)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)的(de)過(guo)程(cheng)便(bian)可(ke)開(kai)始(shi)。無(wu)論(lun)采(cai)用(yong)哪(na)種(zhong)探(tan)頭(tou)測(ce)量(liang)頂(ding)部(bu)波(bo)形(xing)，第(di)一(yi)步(bu)始(shi)終(zhong)是(shi)利(li)用(yong)一(yi)個(ge)公(gong)共(gong)信(xin)號(hao)源(yuan)
，對(dui)探(tan)頭(tou)進(jin)行(xing)相(xiang)對(dui)於(yu)底(di)部(bu)信(xin)號(hao)的(de)去(qu)偏(pian)斜(xie)處(chu)理(li)。死(si)區(qu)時(shi)間(jian)是(shi)相(xiang)對(dui)的(de)
，隻(zhi)要(yao)公(gong)共(gong)信(xin)號(hao)無(wu)任(ren)何(he)水(shui)平(ping)偏(pian)移(yi)，那(na)麼(me)一(yi)個(ge)通(tong)道(dao)相(xiang)對(dui)於(yu)另(ling)一(yi)個(ge)通(tong)道(dao)的(de)偏(pian)斜(xie)就(jiu)無(wu)關(guan)緊(jin)要(yao)。這(zhe)也(ye)有(you)助(zhu)於(yu)確(que)保(bao)增(zeng)益(yi)誤(wu)差(cha)和(he)失(shi)調(tiao)（光學探頭的常見問題）得(de)到(dao)糾(jiu)正(zheng)，或(huo)者(zhe)至(zhi)少(shao)知(zhi)道(dao)存(cun)在(zai)誤(wu)差(cha)和(he)失(shi)調(tiao)，以(yi)便(bian)在(zai)測(ce)量(liang)後(hou)進(jin)行(xing)調(tiao)整(zheng)。在(zai)采(cai)集(ji)用(yong)於(yu)決(jue)策(ce)的(de)數(shu)據(ju)之(zhi)前(qian)，務(wu)必(bi)讓(rang)光(guang)學(xue)探(tan)頭(tou)達(da)到(dao)熱(re)穩(wen)定(ding)狀(zhuang)態(tai)。此(ci)外(wai)，通(tong)常(chang)建(jian)議(yi)記(ji)錄(lu)所(suo)有(you)增(zeng)益(yi)和(he)失(shi)調(tiao)設(she)置(zhi)。

完成設置後，應在應力最低的電壓和電流下（降壓控製器使用較低VIN，升壓控製器使用較高VIN）jinxingjixianceliang，ranhouzaitiaozhanshejidegonglvjixian。zhajiguochonghuisuizheshurudianyaheshuchudianliudebianhuaerbianhua，ruguoshejideyuduyouxian，zuihaozaidadaojixianyinglizhiqianfaxianbingjiuzhengguochongwenti。ruguoyongyuceshideshiboqijuyoucankaoguangbiao，jianyijiangguangbiaofangzhizaiGaN VG數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)規(gui)格(ge)的(de)上(shang)限(xian)和(he)下(xia)限(xian)處(chu)，以(yi)便(bian)直(zhi)觀(guan)地(di)查(zha)看(kan)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)範(fan)圍(wei)。使(shi)用(yong)開(kai)關(guan)節(jie)點(dian)波(bo)形(xing)來(lai)觸(chu)發(fa)並(bing)疊(die)加(jia)頂(ding)部(bu)和(he)底(di)部(bu)柵(zha)極(ji)波(bo)形(xing)，以(yi)獲(huo)得(de)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)的(de)最(zui)佳(jia)圖(tu)像(xiang)。最(zui)好(hao)使(shi)用(yong)差(cha)分(fen)或(huo)光(guang)學(xue)探(tan)頭(tou)來(lai)測(ce)量(liang)頂(ding)部(bu)柵(zha)極(ji)波(bo)形(xing)。如(ru)果(guo)測(ce)量(liang)必(bi)須(xu)相(xiang)對(dui)於(yu)接(jie)地(di)端(duan)進(jin)行(xing)，通(tong)常(chang)建(jian)議(yi)使(shi)用(yong)示(shi)波(bo)器(qi)波(bo)形(xing)數(shu)學(xue)函(han)數(shu)（如果可用）
，從頂部柵極節點輸入中減去開關節點，以獲得一個基於虛地的波形進行分析。

具備智能近零死區時間或自適應死區特性的控製器（如LTC7890/7891），通過實時監測VGS和VSWdianpingtiaozhengshixu，weijiejuezheyimaoduntigonglegaoxiaofangan。tongshi
，jingzhunceliangsiqushijianheguochongboxinglibukaihelidetancejishuyudianlubuju，birucaiyongguangxuegelitantou、優化MMCX連接器布線等，才能真實反映器件工作狀態，保障設計的可靠性。作為係列文章的第一篇，本文為後續深入探討GaN降壓控製器的動態特性奠定了基礎。