受益于集成器件保護(hù)，直接驅(qū)動GaN器件可實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)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(guān)特性可實(shí)現(xiàn)提高開關(guān)模式電源效率和密度的新型拓?fù)?。GaN具有低寄生電容（Ciss、Coss、Crss）和無第三象限反向恢復(fù)的特點(diǎn)。這些特性可實(shí)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(guān)拓?fù)?。由于它們的高開關(guān)損耗，MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）實(shí)現(xiàn)此類拓?fù)?。本文中，我們將重點(diǎn)介紹直接驅(qū)動GaN晶體管的優(yōu)點(diǎn)，包括更低的開關(guān)損耗、更佳的壓擺率控制和改進(jìn)的器件保護(hù)。

 

簡介

 

在設(shè)計開關(guān)模式電源時，主要品質(zhì)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(guān)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(guān)損耗。由于GaN的寄生電容低且沒有二極管反向恢復(fù)，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(qū)動和直接驅(qū)動配置

 

通常來講，MOSFET/IGBT驅(qū)動提供合適的導(dǎo)通和關(guān)斷電流，以支持輸入電容。驅(qū)動輸出和設(shè)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(guān)。將驅(qū)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(guān)損耗并優(yōu)化驅(qū)動控制。

 

直接驅(qū)動優(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(dǎo)電。出于安全原因，沒有偏置電源時，必須關(guān)閉開關(guān)電源中使用的電源器件，以將輸入與輸出斷開。為模擬增強(qiáng)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(xiàn)此目的的兩種不同配置：共源共柵驅(qū)動和直接驅(qū)動。

 

現(xiàn)在，我們將對比功耗，并描述與每種方法相關(guān)的警告所涉及的問題。

在共源共柵配置中，GaN柵極接地，MOSFET柵極被驅(qū)動，以控制GaN器件。由于MOSFET是硅器件，因此許多柵極驅(qū)動可用。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(qū)動配置中，MOSFET是一個直接驅(qū)動配置，由柵極驅(qū)動器在接地和負(fù)電壓（VNEG）之間驅(qū)動的GaN柵極導(dǎo)通/關(guān)斷組合器件。此外，MOSFET Coss無需充電。關(guān)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(guān)頻率下會進(jìn)一步放大。

 

反向恢復(fù)Qrr損失對于共源共柵配置有效。這是因?yàn)樵诘谌笙迣?dǎo)通中，MOSFET關(guān)斷，并通過體二極管導(dǎo)通。

 

圖 2：硬切換操作導(dǎo)致過多振鈴

 

由于負(fù)載電流反向流動，因此MOSFET中存儲了電荷?？朔聪蚧謴?fù)電荷的電流來自高電壓電源，這會導(dǎo)致大量電損失。但在直接驅(qū)動配置中，MOSFET始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，且由于其RDSON低，其寄生二極管也不會導(dǎo)通。因此，最終在直接驅(qū)動配置中不會出現(xiàn)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之間的電壓分布會導(dǎo)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(guān)應(yīng)用，并在硬開關(guān)應(yīng)用中導(dǎo)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(qū)動中的開關(guān)壓擺率。在硬開關(guān)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(dǎo)通，可能會在初始充電期間導(dǎo)致較高的漏端電流。

較高的漏端電流會導(dǎo)致共源共柵驅(qū)動中的較高功率損耗。

 

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(dǎo)致共源共柵中開關(guān)節(jié)點(diǎn)的過度振鈴組態(tài)。硬開關(guān)事件期間的開關(guān)波形如圖2所示（橙色軌線=共源共柵驅(qū)動；藍(lán)色跡線=直接驅(qū)動）。在此模擬中，即使直接驅(qū)動配置的壓擺率較低且振鈴較少（直接驅(qū)動在50 V/ns時為4.2 W，而共源共柵驅(qū)動在150 V/ns時為4.6 W，所有負(fù)載電流均為5A），直接驅(qū)動配置每次硬開關(guān)耗散的能量卻更少。

 

另一方面，直接驅(qū)動配置在開關(guān)操作期間直接驅(qū)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(guān)閉GaN器件。一旦存在偏置電源，MOSFET保持導(dǎo)通狀態(tài)，其寄生電容和體二極管從電路中移出。直接驅(qū)動GaN柵極的優(yōu)點(diǎn)在于可通過設(shè)置對GaN柵極充電的電流來控制壓擺率。

 

圖3：直接驅(qū)動配置的驅(qū)動路徑模型

 

 

對于升壓轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動電路的簡易模型如圖3所示?？墒褂迷撃Ｐ屯茖?dǎo)公式[1]。

 

等式1證明：當(dāng)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(guān)事件的壓擺率。對于低Cgd器件，將丟失反饋，且器件的跨導(dǎo)（gm）控制壓擺率。

 

直接驅(qū)動配置的另一個優(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(yīng)力，并減少了硬開關(guān)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(zhuǎn)換器中開關(guān)節(jié)點(diǎn)振鈴的差異。直接驅(qū)動配置具有受控的導(dǎo)通，且過沖很少。而共源共柵驅(qū)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(guān)損耗。

 

集成柵極驅(qū)動的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(qū)動器和保護(hù)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(qū)動。RDSON 的總電阻為75mΩ。

 

該器件的框圖如圖4所示。柵極驅(qū)動器提供GaN FET的直接驅(qū)動能力，并具有內(nèi)置的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生關(guān)閉GaN FET所需的負(fù)電壓。柵極驅(qū)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(qū)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(guān)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(zhuǎn)換器就會接通并對負(fù)電源軌（VNEG）充電。一旦VNEG電源電壓超過其自身的UVLO，驅(qū)動器便會啟用驅(qū)動。

 

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

 

圖4：單通道600 V，76ΩGaN FET功率級的框圖

 

電流源來驅(qū)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(zhuǎn)換率進(jìn)行編程，轉(zhuǎn)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(qū)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(hù)。這是增強(qiáng)整體系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵功能。使用增強(qiáng)型GaN器件時，這種電流檢測方案無法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)大于40 A的電流流經(jīng)GaN FET時，電流保護(hù)電路會跳閘。GaN FET在發(fā)生過流事件后的60 ns內(nèi)關(guān)閉，從而防止裸片過熱。

 

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

 

為使用直接驅(qū)動方法驗(yàn)證操作，我們建立了一個半橋板，并將其配置為降壓轉(zhuǎn)換器（圖5）。此外，我們使用了ISO7831 雙向電平位移器來饋送高側(cè)驅(qū)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(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換為100V/ns。藍(lán)色跡線是開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形，紫色跡線是電感器電流。

 

硬開關(guān)導(dǎo)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(jìn)行采集，可觀察到任何高頻振鈴。快速的導(dǎo)通時間，外加減小的寄生電容和缺反向恢復(fù)電荷，使得基于GaN的半橋配置即使在使用硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器時也可高效開關(guān)。

 

圖 6：降壓開關(guān)波形示例

 

總結(jié)

 

GaN在減小寄生電容和無反向恢復(fù)方面所提供的優(yōu)勢為使用硬開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同時保持高效率提供了可能。需要受控的高開關(guān)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(qū)動器和精心的電路板布局技術(shù)。

 

共封裝驅(qū)動有助于更大程度地減少柵極環(huán)路寄生效應(yīng)，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(qū)動器可使設(shè)計人員以更小的振鈴和EMI來控制開關(guān)事件的轉(zhuǎn)換速率。這得益于GaN器件的直接驅(qū)動配置而非級聯(lián)驅(qū)動配置。

 

LMG341x系列器件使設(shè)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(guān)。此外，驅(qū)動器還提供過流、過熱和欠壓保護(hù)。

 

 

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