GaN器件的驅(qū)動設(shè)計方案

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 GaN器件的驅(qū)動設(shè)計方案氮化鎵(GaN)是接近理想的半導體開關(guān)的器件，能夠以非常高的能效和高功率密度實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換。但GaN器件在某些方面不如舊的硅技術(shù)強固，因此需慎重應(yīng)用，集成正確的門極驅(qū)動對于實現(xiàn)性能和可靠性至關(guān)重要。本文著眼于這些問題，給出一個驅(qū)動器方案，解決設(shè)計過程的風險。 正文 氮化鎵(GaN)HEMT是電源轉(zhuǎn)換器的典范，其端到端能效高于當今的硅基方案，輕松超過服務(wù)器和云數(shù)據(jù)中心嚴格的80+規(guī)范或USB PD外部適配器的歐盟行為準則Tier 2標準。雖然舊的硅基開關(guān)技術(shù)聲稱性能接近理想，可快速、低損耗開關(guān)，而GaN器件更接近但不可直接替代。為了充分發(fā)揮該

2、技術(shù)的潛在優(yōu)勢，外部驅(qū)動電路必須與GaN器件匹配，同時還要精心布板。 比照GaN和硅開關(guān) 更高能效是增強型GaN較硅(Si)開關(guān)的主要潛在優(yōu)勢。不同于耗盡型GaN，增強型GaN通常是關(guān)斷的器件，因此它需要一個正門極驅(qū)動電壓來導通。增強型GaN的更高能效源于較低的器件電容和GaN的反向(第三象限)導電能力，但反向恢復電荷為零，這是用于硬開關(guān)應(yīng)用的一個主要優(yōu)點。低柵極源和柵極漏電容，產(chǎn)生低總柵電荷，支持門極驅(qū)動器快速門極開關(guān)和低損耗。此外，低輸出電容提供較低的關(guān)斷損耗?？赡苡绊憣嶋HGaN性能的其他差異是沒有漏源/柵雪崩電壓額定值和相對較低的門極電壓，Si MOSFET約+/-20V，而GaN通常只

3、有+/-10V。另外，GaN的導通閾值(VGTH) 約1.5V，遠低于Si MOSFET(約3.5V)。如果外部驅(qū)動和負載電路能夠可靠地控制源極和門極電壓，開關(guān)頻率可達數(shù)百kHz或MHz區(qū)域，從而保持高能效，進而減小磁性器件和電容尺寸，提供高功率密度。 GaN門極驅(qū)動對性能至關(guān)重要 使門極驅(qū)動電壓保持在限值內(nèi)并不是的要求。對于快的開關(guān)，一個典型的GaN器件需要被驅(qū)動到約5.2V的VG(ON)值，這樣才能完全增強，而不需要額外的門極驅(qū)動功率。驅(qū)動功率PD由下式得出： 其中VSW為總門極電壓擺幅，f為開關(guān)頻率，QGTOT為總門極電荷。雖然GaN門極具有有效的電容特性，但在門極的有效串聯(lián)電阻和驅(qū)動器

4、中功率被耗散。因此，使電壓擺幅保持很重要，特別是在頻率很高的情況下。通常，對于GaN來說，QGTOT是幾nC，約是類似的硅MOSFET值的十分之一-這也是GaN能夠如此快速開關(guān)的原因之一。GaN器件是由電荷控制的，因此對于納秒開關(guān)具有納米庫侖門極電荷，峰值電流為放大器級，必須由驅(qū)動器提供，同時保持的電壓。 理論上，GaN器件在VGS = 0安全關(guān)斷，但在現(xiàn)實世界中，即使是的門極驅(qū)動器，直接施加到門極的電壓也不可能是0V。根據(jù)VOPP = -L di/dt (圖1)，在門極驅(qū)動回路共有的源引線中的任何串聯(lián)電感L都會對門極驅(qū)動器產(chǎn)生相反的電壓VOPP，這會導致高源di/dt的假開關(guān)。同樣的影響可能

5、是由關(guān)態(tài)dv/dt迫使電流流過器件的“Miller”電容造成的，但對于GaN，這可忽略不計。一種解決方案是提供一個負門極關(guān)斷電壓，可能-2或-3V，但這使門極驅(qū)動電路復雜，為防止復雜，可通過慎重布板和使用以開爾文連接和具有封裝電感的器件如低高度、無鉛PQFN型封裝。 圖1：源極和門極驅(qū)動共有的電感會引起電壓瞬變高邊門極驅(qū)動的挑戰(zhàn) GaN器件不一定適合于所有的拓撲構(gòu)造，如大多數(shù)“單端”反激式和正激式?jīng)]有反向?qū)?，而且其高于硅MOSFET的額外成本超過了任何小的能效優(yōu)勢。然而，“半橋”拓撲-如圖騰柱無橋PFC、LLC轉(zhuǎn)換器和有源鉗位反激-將自然成為GaN的根據(jù)地，無論是硬開關(guān)還是軟開關(guān)。這些拓撲都

6、有“高邊”開關(guān)，其源是個開關(guān)節(jié)點，因此門極驅(qū)動被一個具有納秒級的高壓和高頻波形所抵消。門極驅(qū)動信號于參照系統(tǒng)地面的控制器，因此高邊驅(qū)動器必須將電平移位與適當?shù)哪蛪侯~定值(通常為450 V或更高)結(jié)合起來。它還需要一種為高邊驅(qū)動產(chǎn)生低壓電源軌的方法，通常采用由自舉二極管和電容組成的網(wǎng)絡(luò)，參照開關(guān)節(jié)點。開關(guān)波形應(yīng)力為dV/dt，GaN可達100 V/ns以上。這導致位移電流流經(jīng)驅(qū)動器到地面，可能導致串聯(lián)電阻和連接電感的瞬態(tài)電壓，可能損壞敏感的差分門極驅(qū)動電壓。因此，驅(qū)動器應(yīng)具有較強的dV/dt抗擾度。 為了限度地防止災(zāi)難性的“擊穿”和實現(xiàn)能效，半橋高邊和低邊器件應(yīng)保證無重疊被驅(qū)動，同時保持少的死區(qū)

7、時間。因此，高邊和低邊驅(qū)動應(yīng)有控制非常好的、匹配的傳播延遲。 對于低邊，接地驅(qū)動器應(yīng)直接在開關(guān)源開展開爾文連接，以防止共模電感。這可能是個問題，因為驅(qū)動器也有一個接地信號，這可能不是的連接。因此，低邊驅(qū)動器可能采用隔離或某種分離功率和信號的方法，具有一定程度的共模電壓容限。 GaN驅(qū)動器可能需要安全隔離 現(xiàn)在增強型GaN器件正受到極大的關(guān)注用于離線應(yīng)用，這種應(yīng)用要求設(shè)備及其驅(qū)動器至少有600 V的高壓額定值，但較低的電壓應(yīng)用越來越普遍。如果驅(qū)動器輸入信號由控制器產(chǎn)生，可通過通信接口人工訪問連接，則驅(qū)動器將需要符合相關(guān)代碼的安全隔離。這可通過高速信號伽伐尼隔離器以適當?shù)慕^緣電壓實現(xiàn)。保持驅(qū)動器信

8、號邊緣率和高低邊匹配成為這些布板的問題，雖然控制器電路常被允許primary-referenced，但無論如何，在大多AC-DC轉(zhuǎn)換器中這是常態(tài)。 應(yīng)用例如 有源鉗位反激 這是個有源鉗位反激拓撲的例子(圖2)，使用一個高邊開關(guān)將換流變壓器的漏感能量循環(huán)供給。與“緩沖”或硬齊納鉗位法相比，能效更高，EMI更好，漏波更干凈，電路應(yīng)用功耗低，在45W到150 W之間，典型的應(yīng)用包括支持USB PD的手機和膝上型計算機的旅行適配器，以及嵌入式電源。 圖2：GaN有源鉗位反激轉(zhuǎn)換器概覽 圖2顯示安森美半導體的NCP51820專用GaN門極驅(qū)動器及NCP1568有源鉗位反激控制器 (細節(jié)省略)。該驅(qū)動器采

9、用具有調(diào)節(jié)的+5.2V幅度的門極驅(qū)動器用于高邊和低邊增強型GaN。其高邊共模電壓范圍-3.5V到+650V，低邊共模電壓范圍為-3.5至+3.5V，dv/dt抗擾度200 V/ns，采用了先進的結(jié)隔離技術(shù)。如果在低邊器件源極有一個電流檢測電阻器，低邊驅(qū)動電平移位使開爾文連接更容易。驅(qū)動波形的上升和下降時間為1ns，傳播延遲為50 ns，且高低邊提供獨立的源汲輸出，以定制門極驅(qū)動邊沿，到達的EMI/能效折衷。在這種拓撲構(gòu)造中，高低邊驅(qū)動器不重疊，但具有不同的脈沖寬度，以實現(xiàn)由NCP1568器件控制的具漏極鉗位和零電壓開關(guān)的電源轉(zhuǎn)換/調(diào)節(jié)。 應(yīng)用例如 LLC轉(zhuǎn)換器 在功率大于150 W的情況下，諧

10、振式LLC轉(zhuǎn)換器因能效高、開關(guān)電壓應(yīng)力有限而常被使用。該轉(zhuǎn)換器的一個特點是驅(qū)動波形為50%的占空比，通過變頻調(diào)節(jié)。因此，控制死區(qū)時間以保證不發(fā)生重疊至關(guān)重要。圖3顯示了NCP13992高性能LLC控制器的典型架構(gòu)。這種設(shè)計可以在500 kHz的開關(guān)頻率下工作，并且通常用于大功率游戲適配器和OLED電視、一體化電腦的嵌入式電源。 圖3：基于GaN的LLC轉(zhuǎn)換器概覽 所示的安森美半導體NCP51820驅(qū)動器確保門極驅(qū)動不重疊，但這可視拓撲需要(如電流饋電轉(zhuǎn)換器)而禁用。該器件還含一個使能輸入和全面的保護，防止電源欠壓和過溫。它采用PQFN、44mm 的15引線封裝，使短、低電感連接到GaN器件的門極。 布板考量 在所有應(yīng)用中，布板是成功的關(guān)鍵。圖4顯示了一個采用安森美半導體的NCP51820的例如布板，微型化并匹配門驅(qū)動回路。GaN器件和驅(qū)動