受益于集成器件保護，直接驅動GaN器件可實現(xiàn)更高的開關電源效率和更佳的系統(tǒng)級可靠性。

 

高電壓（600V）氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）的開關特性可實現(xiàn)提高開關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）和無第三象限反向恢復的特點。這些特性可實現(xiàn)諸如圖騰柱無橋功率因數(shù)控制器（PFC）等較高頻率的硬開關拓撲。由于它們的高開關損耗，MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）實現(xiàn)此類拓撲。本文中，我們將重點介紹直接驅動GaN晶體管的優(yōu)點，包括更低的開關損耗、更佳的壓擺率控制和改進的器件保護。

 

簡介

 

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

 

圖1：共源共柵驅動和直接驅動配置

 

通常來講，MOSFET/IGBT驅動提供合適的導通和關斷電流，以支持輸入電容。驅動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GaN壓擺率增加，外部組件增加了過多的寄生電感，無法控制開關。將驅動與GaN器件集成到封裝中可最大程度降低寄生電感、降低開關損耗并優(yōu)化驅動控制。

 

直接驅動優(yōu)點

 

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，沒有偏置電源時，必須關閉開關電源中使用的電源器件，以將輸入與輸出斷開。為模擬增強模式器件，將低壓MOSFET與GaN源端串聯(lián)放置。圖1所示為實現(xiàn)此目的的兩種不同配置：共源共柵驅動和直接驅動。

 

現(xiàn)在，我們將對比功耗，并描述與每種方法相關的警告所涉及的問題。

在共源共柵配置中，GaN柵極接地，MOSFET柵極被驅動，以控制GaN器件。由于MOSFET是硅器件，因此許多柵極驅動可用。但由于在GaN器件關閉之前必須將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。

 

在直接驅動配置中，MOSFET是一個直接驅動配置，由柵極驅動器在接地和負電壓（VNEG）之間驅動的GaN柵極導通/關斷組合器件。此外，MOSFET Coss無需充電。關斷GaN Cgs的電流來自較低的偏壓電源。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關頻率下會進一步放大。

 

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關斷，并通過體二極管導通。

 

圖 2：硬切換操作導致過多振鈴

 

由于負載電流反向流動，因此MOSFET中存儲了電荷。克服反向恢復電荷的電流來自高電壓電源，這會導致大量電損失。但在直接驅動配置中，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導通。因此，最終在直接驅動配置中不會出現(xiàn)與Qrr相關的功率損耗。

 

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

 

鑒于GaN柵極已連至MOSFET的漏端，因此無法控制共源共柵驅動中的開關壓擺率。在硬開關操作中，來自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，可能會在初始充電期間導致較高的漏端電流。

較高的漏端電流會導致共源共柵驅動中的較高功率損耗。

 

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

 

另一方面，直接驅動配置在開關操作期間直接驅動GaN器件的柵極。無偏置電源時，MOSFET柵極被拉至接地，并以與共源共柵配置相同的方式關閉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GaN柵極的優(yōu)點在于可通過設置對GaN柵極充電的電流來控制壓擺率。

 

圖3：直接驅動配置的驅動路徑模型

 

 

對于升壓轉換器，驅動電路的簡易模型如圖3所示。可使用該模型推導公式[1]。

 

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

 

直接驅動配置的另一個優(yōu)點在于可在柵極環(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，并減少了硬開關期間的電磁干擾（EMI）問題。

 

圖2是一個模擬圖，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關節(jié)點振鈴的差異。直接驅動配置具有受控的導通，且過沖很少。而共源共柵驅動由于較高的初始Coss、Qrr和較低的柵極環(huán)路阻抗而具有較大的振鈴和硬開關損耗。

 

集成柵極驅動的75mΩGaN器件

 

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

 

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

 

與分立的GaN和驅動器相比，LMG341x系列的集成直接驅動實現(xiàn)具有諸多優(yōu)勢。柵極驅動的一個重要方面是在硬開關事件期間控制壓擺率。LMG341x系列使用可編程電流源來驅動GaN柵極。

 

圖4：單通道600 V，76ΩGaN FET功率級的框圖

 

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

 

通過將串聯(lián)FET集成到驅動集成電路（IC）中，感測FET和電流感測電路可為GaN FET提供過流保護。這是增強整體系統(tǒng)可靠性的關鍵功能。使用增強型GaN器件時，這種電流檢測方案無法實現(xiàn)。當大于40 A的電流流經(jīng)GaN FET時，電流保護電路會跳閘。GaN FET在發(fā)生過流事件后的60 ns內(nèi)關閉，從而防止裸片過熱。

 

通過將驅動芯片封裝在與GaN FET相同的裸片附著墊（DAP）上，驅動芯片處的引線框架可感測GaN器件的溫度。驅動可通過在過熱事件期間禁用GaN驅動來保護器件。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關。

 

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

 

圖 5：典型的半橋配置

 

圖6中，GaN半橋配置從480V總線、以1.5A的轉換速率轉換為100V/ns。藍色跡線是開關節(jié)點波形，紫色跡線是電感器電流。

 

硬開關導通穩(wěn)定，具有約50 V的過沖。此波形使用1 Ghz示波器和探頭進行采集，可觀察到任何高頻振鈴。快速的導通時間，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關轉換器時也可高效開關。

 

圖 6：降壓開關波形示例

 

總結

 

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

 

共封裝驅動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)化的驅動器可使設計人員以更小的振鈴和EMI來控制開關事件的轉換速率。這得益于GaN器件的直接驅動配置而非級聯(lián)驅動配置。

 

LMG341x系列器件使設計人員能夠以30 V/ns至100 V/ns的壓擺率控制各類器件的開關。此外，驅動器還提供過流、過熱和欠壓保護。

 

 

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