受益于集成器件保護，直接驅動(dòng)GaN器件可實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)電源效率和更佳的系統級可靠性。

 

高電壓（600V）氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）的開(kāi)關(guān)特性可實(shí)現提高開(kāi)關(guān)模式電源效率和密度的新型拓撲。GaN具有低寄生電容（Ciss、Coss、Crss）和無(wú)第三象限反向恢復的特點(diǎn)。這些特性可實(shí)現諸如圖騰柱無(wú)橋功率因數控制器（PFC）等較高頻率的硬開(kāi)關(guān)拓撲。由于它們的高開(kāi)關(guān)損耗，MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）實(shí)現此類(lèi)拓撲。本文中，我們將重點(diǎn)介紹直接驅動(dòng)GaN晶體管的優(yōu)點(diǎn)，包括更低的開(kāi)關(guān)損耗、更佳的壓擺率控制和改進(jìn)的器件保護。

 

簡(jiǎn)介

 

在設計開(kāi)關(guān)模式電源時(shí)，主要品質(zhì)因數（FOM）包括成本、尺寸和效率。[1]這三個(gè)FOM是耦合型，需要考慮諸多因素。例如，增加開(kāi)關(guān)頻率可減小磁性元件的尺寸和成本，但會(huì )增加磁性元件的損耗和功率器件中的開(kāi)關(guān)損耗。由于GaN的寄生電容低且沒(méi)有二極管反向恢復，因此與MOSFET和IGBT相比，GaN HEMT具有顯著(zhù)降低損耗的潛力。

 

圖1：共源共柵驅動(dòng)和直接驅動(dòng)配置

 

通常來(lái)講，MOSFET/IGBT驅動(dòng)提供合適的導通和關(guān)斷電流，以支持輸入電容。驅動(dòng)輸出和設備柵極之間的外部電阻控制壓擺率，并抑制功率和柵極環(huán)路振鈴。隨著(zhù)GaN壓擺率增加，外部組件增加了過(guò)多的寄生電感，無(wú)法控制開(kāi)關(guān)。將驅動(dòng)與GaN器件集成到封裝中可最大程度降低寄生電感、降低開(kāi)關(guān)損耗并優(yōu)化驅動(dòng)控制。

 

直接驅動(dòng)優(yōu)點(diǎn)

 

漏端和漏端之間的GaN中存在本征二維電子氣層（2-DEG），使該器件在零柵極-漏端電壓下導電。出于安全原因，沒(méi)有偏置電源時(shí)，必須關(guān)閉開(kāi)關(guān)電源中使用的電源器件，以將輸入與輸出斷開(kāi)。為模擬增強模式器件，將低壓MOSFET與GaN源端串聯(lián)放置。圖1所示為實(shí)現此目的的兩種不同配置：共源共柵驅動(dòng)和直接驅動(dòng)。

 

現在，我們將對比功耗，并描述與每種方法相關(guān)的警告所涉及的問(wèn)題。

在共源共柵配置中，GaN柵極接地，MOSFET柵極被驅動(dòng)，以控制GaN器件。由于MOSFET是硅器件，因此許多柵極驅動(dòng)可用。但由于在GaN器件關(guān)閉之前必須將GaN柵極至漏端電容（Cgs）和MOSFET Coss充電至GaN閾值電壓，因此該配置具有較高的組合Coss。

 

在直接驅動(dòng)配置中，MOSFET是一個(gè)直接驅動(dòng)配置，由柵極驅動(dòng)器在接地和負電壓（VNEG）之間驅動(dòng)的GaN柵極導通/關(guān)斷組合器件。此外，MOSFET Coss無(wú)需充電。關(guān)斷GaN Cgs的電流來(lái)自較低的偏壓電源。較低的電源電壓可提供相同的GaN柵極至漏端電荷（Qgs），從而可降低功耗。這些功率效率差異在更高的開(kāi)關(guān)頻率下會(huì )進(jìn)一步放大。

 

反向恢復Qrr損失對于共源共柵配置有效。這是因為在第三象限導通中，MOSFET關(guān)斷，并通過(guò)體二極管導通。

 

圖 2：硬切換操作導致過(guò)多振鈴

 

由于負載電流反向流動(dòng)，因此MOSFET中存儲了電荷?？朔聪蚧謴碗姾傻碾娏鱽?lái)自高電壓電源，這會(huì )導致大量電損失。但在直接驅動(dòng)配置中，MOSFET始終處于導通狀態(tài)，且由于其RDSON低，其寄生二極管也不會(huì )導通。因此，最終在直接驅動(dòng)配置中不會(huì )出現與Qrr相關(guān)的功率損耗。

 

在共源共柵配置中，由于GaN漏源電容高（Cds）[2，3]，處于關(guān)斷模式的GaN和MOSFET之間的電壓分布會(huì )導致MOSFET雪崩?？稍贛OSFET的漏端和漏端之間并聯(lián)一個(gè)電容器[4]予以解決。但這僅適用于軟開(kāi)關(guān)應用，并在硬開(kāi)關(guān)應用中導致高功率損耗。

 

鑒于GaN柵極已連至MOSFET的漏端，因此無(wú)法控制共源共柵驅動(dòng)中的開(kāi)關(guān)壓擺率。在硬開(kāi)關(guān)操作中，來(lái)自GaN Cgs、MOSFET Coss、MOSFET Qrr的有效Coss的增加，以及由于防止MOSFET崩潰而可能產(chǎn)生的一些電流導通，可能會(huì )在初始充電期間導致較高的漏端電流。

較高的漏端電流會(huì )導致共源共柵驅動(dòng)中的較高功率損耗。

 

在MOSFET的漏端充電至足以關(guān)閉GaN器件的程度后，從漏端觀(guān)察到Coss突然下降——加上流經(jīng)功率環(huán)路電感的漏端電流較高——導致共源共柵中開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的過(guò)度振鈴組態(tài)。硬開(kāi)關(guān)事件期間的開(kāi)關(guān)波形如圖2所示（橙色軌線(xiàn)=共源共柵驅動(dòng)；藍色跡線(xiàn)=直接驅動(dòng)）。在此模擬中，即使直接驅動(dòng)配置的壓擺率較低且振鈴較少（直接驅動(dòng)在50 V/ns時(shí)為4.2 W，而共源共柵驅動(dòng)在150 V/ns時(shí)為4.6 W，所有負載電流均為5A），直接驅動(dòng)配置每次硬開(kāi)關(guān)耗散的能量卻更少。

 

另一方面，直接驅動(dòng)配置在開(kāi)關(guān)操作期間直接驅動(dòng)GaN器件的柵極。無(wú)偏置電源時(shí)，MOSFET柵極被拉至接地，并以與共源共柵配置相同的方式關(guān)閉GaN器件。一旦存在偏置電源，MOSFET保持導通狀態(tài)，其寄生電容和體二極管從電路中移出。直接驅動(dòng)GaN柵極的優(yōu)點(diǎn)在于可通過(guò)設置對GaN柵極充電的電流來(lái)控制壓擺率。

 

圖3：直接驅動(dòng)配置的驅動(dòng)路徑模型

 

 

對于升壓轉換器，驅動(dòng)電路的簡(jiǎn)易模型如圖3所示?？墒褂迷撃Ｐ屯茖Ч絒1]。

 

等式1證明：當GaN器件具有足夠的柵漏電容（Cgd）時(shí)，可通過(guò)使用柵極電流通過(guò)米勒反饋來(lái)控制開(kāi)關(guān)事件的壓擺率。對于低Cgd器件，將丟失反饋，且器件的跨導（gm）控制壓擺率。

 

直接驅動(dòng)配置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于可在柵極環(huán)路中增加阻抗，以抑制其寄生諧振。抑制柵極環(huán)路還可減少電源環(huán)路中的振鈴。這降低了GaN器件上的電壓應力，并減少了硬開(kāi)關(guān)期間的電磁干擾（EMI）問(wèn)題。

 

圖2是一個(gè)模擬圖，顯示以功率和柵極環(huán)路寄生電感為模型的降壓轉換器中開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴的差異。直接驅動(dòng)配置具有受控的導通，且過(guò)沖很少。而共源共柵驅動(dòng)由于較高的初始Coss、Qrr和較低的柵極環(huán)路阻抗而具有較大的振鈴和硬開(kāi)關(guān)損耗。

 

集成柵極驅動(dòng)的75mΩGaN器件

 

TI的LMG341x系列600V GaN器件是業(yè)界領(lǐng)先的集成GaN FET外加驅動(dòng)器和保護功能的器件。它是一個(gè)8mm x 8mm四方扁平無(wú)引線(xiàn)（QFN）多芯片模塊（MCM），包括一個(gè)GaN FET和具有集成20V串聯(lián)FET的驅動(dòng)。RDSON 的總電阻為75mΩ。

 

該器件的框圖如圖4所示。柵極驅動(dòng)器提供GaN FET的直接驅動(dòng)能力，并具有內置的降壓-升壓轉換器，以產(chǎn)生關(guān)閉GaN FET所需的負電壓。柵極驅動(dòng)使用12V單電源供電，并具有一個(gè)內部低壓差穩壓器（LDO），可產(chǎn)生一個(gè)5V電源，為驅動(dòng)和其他控制電路供電。內部欠壓鎖定（UVLO）電路使安全FET保持關(guān)閉狀態(tài)，直至輸入電壓超過(guò)9.5V。一旦UVLO超過(guò)其自身閾值，降壓/升壓轉換器就會(huì )接通并對負電源軌（VNEG）充電。一旦VNEG電源電壓超過(guò)其自身的UVLO，驅動(dòng)器便會(huì )啟用驅動(dòng)。

 

與分立的GaN和驅動(dòng)器相比，LMG341x系列的集成直接驅動(dòng)實(shí)現具有諸多優(yōu)勢。柵極驅動(dòng)的一個(gè)重要方面是在硬開(kāi)關(guān)事件期間控制壓擺率。LMG341x系列使用可編程電流源來(lái)驅動(dòng)GaN柵極。

 

圖4：?jiǎn)瓮ǖ?00 V，76ΩGaN FET功率級的框圖

 

電流源來(lái)驅動(dòng)GaN柵極。電流源提供阻抗以抑制柵極環(huán)路，并允許用戶(hù)以受控的方式對轉換率進(jìn)行編程，轉換率從30 V/ns到100 V/ns，以解決電路板寄生和EMI問(wèn)題。

 

通過(guò)將串聯(lián)FET集成到驅動(dòng)集成電路（IC）中，感測FET和電流感測電路可為GaN FET提供過(guò)流保護。這是增強整體系統可靠性的關(guān)鍵功能。使用增強型GaN器件時(shí)，這種電流檢測方案無(wú)法實(shí)現。當大于40 A的電流流經(jīng)GaN FET時(shí)，電流保護電路會(huì )跳閘。GaN FET在發(fā)生過(guò)流事件后的60 ns內關(guān)閉，從而防止裸片過(guò)熱。

 

通過(guò)將驅動(dòng)芯片封裝在與GaN FET相同的裸片附著(zhù)墊（DAP）上，驅動(dòng)芯片處的引線(xiàn)框架可感測GaN器件的溫度。驅動(dòng)可通過(guò)在過(guò)熱事件期間禁用GaN驅動(dòng)來(lái)保護器件。集成的GaN器件還提供FAULT輸出，通知控制器由于故障事件而停止了開(kāi)關(guān)。

 

為使用直接驅動(dòng)方法驗證操作，我們建立了一個(gè)半橋板，并將其配置為降壓轉換器（圖5）。此外，我們使用了ISO7831 雙向電平位移器來(lái)饋送高側驅動(dòng)信號，并返回經(jīng)過(guò)電平位移的FAULT信號。

 

圖 5：典型的半橋配置

 

圖6中，GaN半橋配置從480V總線(xiàn)、以1.5A的轉換速率轉換為100V/ns。藍色跡線(xiàn)是開(kāi)關(guān)節點(diǎn)波形，紫色跡線(xiàn)是電感器電流。

 

硬開(kāi)關(guān)導通穩定，具有約50 V的過(guò)沖。此波形使用1 Ghz示波器和探頭進(jìn)行采集，可觀(guān)察到任何高頻振鈴?？焖俚膶〞r(shí)間，外加減小的寄生電容和缺反向恢復電荷，使得基于GaN的半橋配置即使在使用硬開(kāi)關(guān)轉換器時(shí)也可高效開(kāi)關(guān)。

 

圖 6：降壓開(kāi)關(guān)波形示例

 

總結

 

GaN在減小寄生電容和無(wú)反向恢復方面所提供的優(yōu)勢為使用硬開(kāi)關(guān)拓撲結構同時(shí)保持高效率提供了可能。需要受控的高開(kāi)關(guān)壓擺率來(lái)更大程度地發(fā)揮GaN的優(yōu)勢，而這又需要優(yōu)化的共封裝驅動(dòng)器和精心的電路板布局技術(shù)。

 

共封裝驅動(dòng)有助于更大程度地減少柵極環(huán)路寄生效應，以減少柵極振鈴。

 

利用精心布置的印刷電路板（PCB），優(yōu)化的驅動(dòng)器可使設計人員以更小的振鈴和EMI來(lái)控制開(kāi)關(guān)事件的轉換速率。這得益于GaN器件的直接驅動(dòng)配置而非級聯(lián)驅動(dòng)配置。

 

LMG341x系列器件使設計人員能夠以30 V/ns至100 V/ns的壓擺率控制各類(lèi)器件的開(kāi)關(guān)。此外，驅動(dòng)器還提供過(guò)流、過(guò)熱和欠壓保護。

 

 

推薦閱讀：