節(jié)能舉措，如企業(yè)服務(wù)器和云數(shù)據(jù)中心電源的“80+ Titianium”，以及外部電源適配器的歐盟行為準(zhǔn)則(CoC) Tier 2，正使電源設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)而選擇GaN開關(guān)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更高能效的設(shè)計(jì)。由于GaN并不是現(xiàn)有硅技術(shù)的直接替代品，為了獲得最大的優(yōu)勢，驅(qū)動器和布板必須與新技術(shù)相匹配。

 

對比GaN和硅開關(guān)

GaN是高速器件，因其電容很低，且可在沒有反向恢復(fù)電荷的情況下反向?qū)щ?第三象限)，這在硬開關(guān)應(yīng)用中是個(gè)真正的優(yōu)勢。因此，損耗較低，但也有一些缺點(diǎn)。一是器件沒有雪崩電壓額定值，門極驅(qū)動相當(dāng)關(guān)鍵，絕對最大額定電壓典型值僅為+/-10V，而Si器件為+/-20V。另外，增強(qiáng)型(E-mode)GaN通常是關(guān)斷的器件，其1.5V左右的門極導(dǎo)通閾值也低于Si的約3.5V。關(guān)鍵的是，能否實(shí)現(xiàn)低損耗、高功率密度和高可靠性的預(yù)期優(yōu)勢，取決于具有強(qiáng)固保護(hù)特性的優(yōu)化門極驅(qū)動電路。

 

GaN門極驅(qū)動對性能至關(guān)重要

 

為了充分增強(qiáng)，E-mode GaN開關(guān)需要驅(qū)動到約5V，但不很高；除了保持在絕對最大限值內(nèi)，門極電路中的功耗隨門極驅(qū)動電壓和頻率的變化而變化。在器件電容和門極電荷較低的情況下，平均驅(qū)動功率可以很低。但由于開關(guān)是納秒級的，峰值電流可以很高，為安培級，因此驅(qū)動電路需要匹配這速度，但仍然能夠提供大量的電流。

 

理論上，GaN器件在VGS= 0安全關(guān)斷，但是如果沒有從驅(qū)動器返回到開關(guān)源的閉合“開爾文”連接，則所得到的連接電感在器件開關(guān)時(shí)引起電壓尖峰(圖1)。這與門極驅(qū)動器相對，最佳地降低驅(qū)動電壓裕量，和最壞的導(dǎo)致寄生導(dǎo)通從而具有潛在的破壞性結(jié)果。門極可負(fù)驅(qū)動以抵消效應(yīng)，但是通過謹(jǐn)慎的布局和便于開爾文連接的驅(qū)動器可以避免這種復(fù)雜性。“Miller”電容可引起類似的效應(yīng)，但對于GaN，這可忽略不計(jì)。

 

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)

一些轉(zhuǎn)換拓?fù)洳捎?lsquo;高邊’開關(guān)，其門極驅(qū)動器返回是高壓開關(guān)節(jié)點(diǎn)。驅(qū)動器必須電平移位，并且不受從輸出到輸入的dv/dt影響，對于GaN，dv/dt可能是100 V/ns以上。此外，在這種情況下，需要很好的控制通過驅(qū)動器的傳播延遲，以便匹配低邊和高邊信號，避免發(fā)生災(zāi)難性的“擊穿”，同時(shí)盡可能保持最小的死區(qū)時(shí)間。甚至低邊驅(qū)動器有時(shí)也需要信號和接地電源之間一定的電平移位，以避免從驅(qū)動器輸出級到輸入端的噪聲耦合，這耦合可能會導(dǎo)致異常運(yùn)行或最壞的設(shè)備故障。

 

有源鉗位反激應(yīng)用示例

 

圖2：GaN有源鉗位反激轉(zhuǎn)換器概覽

 

圖2顯示安森美半導(dǎo)體的NCP51820 GaN門極驅(qū)動器及NCP1568有源鉗位反激控制器。該驅(qū)動器采用具有調(diào)節(jié)的+5.2V幅值的門極驅(qū)動器用于高邊和低邊輸出最佳增強(qiáng)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(jìn)的結(jié)隔離技術(shù)。如果在低邊器件源極有一個(gè)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(shí)間為1ns，最大傳播延遲為50 ns，且提供獨(dú)立的源汲輸出，以定制導(dǎo)通和關(guān)斷邊沿率，達(dá)到最佳的EMI/能效。

 

LLC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用示例

該LLC轉(zhuǎn)換器(圖3)的一個(gè)特點(diǎn)是驅(qū)動波形為50%的占空比。因此，控制死區(qū)時(shí)間以不發(fā)生重疊至關(guān)重要。

 

圖3：基于GaN的LLC轉(zhuǎn)換器概覽

 

所示的安森美半導(dǎo)體NCP51820驅(qū)動器確保門極驅(qū)動不重疊。該器件還含一個(gè)使能輸入和全面的保護(hù)，防止電源欠壓和過溫。它采用PQFN、4×4mm 的15引線封裝，使短、低電感連接到GaN器件的門極。

 

布板至關(guān)重要

在所有應(yīng)用中，布板是成功的關(guān)鍵。門驅(qū)動回路必須最小化和匹配，驅(qū)動器和GaN器件應(yīng)置于PCB同側(cè)，并使用接地/電源面。

 

對于GaN開關(guān)，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)其門極驅(qū)動電路，以實(shí)現(xiàn)更高能效、功率密度及可靠性。此外，謹(jǐn)慎的布板，使用專用驅(qū)動器如安森美半導(dǎo)體的NCP51820，及針對高低邊驅(qū)動器的一系列特性，確保GaN器件以最佳性能工作。