受益於集成器件保護，直接驅動GaN器件可實現更高的開關電源效率和更佳的係統級可靠性。

 

高電壓（600V）氮化镓（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）的開關特性可實現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複的特點。這些特性可實現諸如圖騰柱無橋功率因數控製器（PFC）等較高頻率的硬開關拓撲。由於它們的高開關損耗，MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）實現此類拓撲。本文中，我們將重點介紹直接驅動GaN晶體管的優點，包括更低的開關損耗、更佳的壓擺率控製和改進的器件保護。

 

簡介

 

在設計開關模式電源時
，主要品質因數（FOM）包括成本、尺寸和效率。[1]這三個FOMshiouhexing
，xuyaokaolvzhuduoyinsu。liru，zengjiakaiguanpinlvkejianxiaocixingyuanjiandechicunhechengben，danhuizengjiacixingyuanjiandesunhaohegonglvqijianzhongdekaiguansunhao。youyuGaN的寄生電容低且沒有二極管反向恢複，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/IGBTqudongtigongheshidedaotongheguanduandianliu，yizhichishurudianrong。qudongshuchuheshebeizhajizhijiandewaibudianzukongzhiyabailv，bingyizhigonglvhezhajihuanluzhenling。suizheGaN壓擺率增加，外部組件增加了過多的寄生電感
，無法控製開關。將驅動與GaN器件集成到封裝中可最大程度降低寄生電感
、降低開關損耗並優化驅動控製。

 

直接驅動優點

 

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lou端duan電dian壓ya下xia導dao電dian。出chu於yu安an全quan原yuan因yin
，沒mei有you偏pian置zhi電dian源yuan時shi
，必bi須xu關guan閉bi開kai關guan電dian源yuan中zhong使shi用yong的de電dian源yuan器qi件jian，以yi將jiang輸shu入ru與yu輸shu出chu斷duan開kai。為wei模mo擬ni增zeng強qiang模mo式shi器qi件jian，將jiang低di壓yaMOSFET與GaN源端串聯放置。圖1所示為實現此目的的兩種不同配置：共源共柵驅動和直接驅動。

 

現在
，我們將對比功耗，並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，以控製GaN器件。由於MOSFET是矽器件，因此許多柵極驅動可用。但由於在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。

 

反向恢複Qrr損失對於共源共柵配置有效。這是因為在第三象限導通中，MOSFET關斷，並通過體二極管導通。

 

圖 2：硬切換操作導致過多振鈴

 

由於負載電流反向流動
，因此MOSFET中存儲了電荷。克服反向恢複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始終處於導通狀態，且由於其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與Qrr相關的功率損耗。

 

在共源共柵配置中

，由於GaN漏源電容高（Cds）[2，3]
，處於關斷模式的GaN和MOSFET之間的電壓分布會導致MOSFET雪崩。可在MOSFET的漏端和漏端之間並聯一個電容器[4]予以解決。但這僅適用於軟開關應用
，並在硬開關應用中導致高功率損耗。

 

鑒於GaN柵極已連至MOSFET的漏端，因此無法控製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，以及由於防止MOSFET崩潰而可能產生的一些電流導通
，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器件的程度後
，從漏端觀察到Coss突然下降——加上流經功率環路電感的漏端電流較高——導致共源共柵中開關節點的過度振鈴組態。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。

 

另一方麵
，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
，並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，其寄生電容和體二極管從電路中移出。直接驅動GaN柵極的優點在於可通過設置對GaN柵極充電的電流來控製壓擺率。

 

圖3：直接驅動配置的驅動路徑模型

 

 

對於升壓轉換器，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製開關事件的壓擺率。對於低Cgd器件
，將丟失反饋
，且器件的跨導（gm）控製壓擺率。

 

直接驅動配置的另一個優點在於可在柵極環路中增加阻抗，以抑製其寄生諧振。抑製柵極環路還可減少電源環路中的振鈴。這降低了GaN器件上的電壓應力
，並減少了硬開關期間的電磁幹擾（EMI）問題。

 

圖2shiyigemonitu，xianshiyigonglvhezhajihuanlujishengdianganweimoxingdejiangyazhuanhuanqizhongkaiguanjiedianzhenlingdechayi。zhijiequdongpeizhijuyoushoukongdedaotong，qieguochonghenshao。ergongyuangongzhaqudongyouyujiaogaodechushiCoss

、Qrr和較低的柵極環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係列600V GaN器件是業界領先的集成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，並具有內置的降壓-升壓轉換器，以產生關閉GaN FET所需的負電壓。柵極驅動使用12V單電源供電
，並具有一個內部低壓差穩壓器（LDO）
，可產生一個5V電源，為驅動和其他控製電路供電。內部欠壓鎖定（UVLO）電路使安全FET保持關閉狀態，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並對負電源軌（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係列的集成直接驅動實現具有諸多優勢。柵極驅動的一個重要方麵是在硬開關事件期間控製壓擺率。LMG341x係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製柵極環路，並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。這是增強整體係統可靠性的關鍵功能。使用增強型GaN器件時，這種電流檢測方案無法實現。當大於40 A的電流流經GaN FET時，電流保護電路會跳閘。GaN FET在發生過流事件後的60 ns內關閉，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
，通知控製器由於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
，並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，並返回經過電平位移的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。藍色跡線是開關節點波形，紫色跡線是電感器電流。

 

硬開關導通穩定，具有約50 V的過衝。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複電荷，使得基於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zai減jian小xiao寄ji生sheng電dian容rong和he無wu反fan向xiang恢hui複fu方fang麵mian所suo提ti供gong的de優you勢shi為wei使shi用yong硬ying開kai關guan拓tuo撲pu結jie構gou同tong時shi保bao持chi高gao效xiao率lv提ti供gong了le可ke能neng。需xu要yao受shou控kong的de高gao開kai關guan壓ya擺bai率lv來lai更geng大da程cheng度du地di發fa揮huiGaN的優勢
，而這又需要優化的共封裝驅動器和精心的電路板布局技術。

 

共封裝驅動有助於更大程度地減少柵極環路寄生效應
，以減少柵極振鈴。

 

利用精心布置的印刷電路板（PCB），優化的驅動器可使設計人員以更小的振鈴和EMI來控製開關事件的轉換速率。這得益於GaN器件的直接驅動配置而非級聯驅動配置。

 

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

 

 

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