簡介

 

氮化镓 (GaN) 晶體管的開關性能要優於矽MOSFET，因為在同等導通電阻的情況下，氮化镓 (GaN) 晶體管的終端電容較低
，並避免了體二極管所導致的反向恢複損耗。正是由於這些特性，GaN FET可以實現更高的開關頻率
，從而在保持合理開關損耗的同時，提升功率密度和瞬態性能。

 

傳統上，GaN器件被封裝為分立式器件，並由單獨的驅動器驅動，這是因為GaN器件和驅動器基於不同的處理技術
，並且可能來自不同的廠商。每個封裝將會有引入寄生電感的焊線和引線，如圖1a所示。當以每納秒數十到幾百伏電壓的高壓擺率進行切換時，這些寄生電感會導致開關損耗
、振鈴和可靠性問題。

 

將GaN晶體管與其驅動器集成在一起（圖1b）可以消除共源電感，並且極大降低驅動器輸出與GaN柵(zha)極(ji)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)感(gan)，以(yi)及(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)接(jie)地(di)中(zhong)的(de)電(dian)感(gan)。在(zai)這(zhe)篇(pian)文(wen)章(zhang)中(zhong)，我(wo)們(men)將(jiang)研(yan)究(jiu)由(you)封(feng)裝(zhuang)寄(ji)生(sheng)效(xiao)應(ying)所(suo)引(yin)發(fa)的(de)問(wen)題(ti)和(he)限(xian)製(zhi)。在(zai)一(yi)個(ge)集(ji)成(cheng)封(feng)裝(zhuang)內(nei)對(dui)這(zhe)些(xie)寄(ji)生(sheng)效(xiao)應(ying)進(jin)行(xing)優(you)化(hua)可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)該(gai)問(wen)題(ti)
，並(bing)且(qie)以(yi)高(gao)於(yu)100V/ns的高壓擺率實現出色的開關性能。

 

圖1. 由獨立封裝內的驅動器驅動的GaN器件 (a)；一個集成GaN/驅動器封裝 (b)。

 

圖2. 用於仿真的半橋電路的簡化圖

 

仿真設置

 

為了仿真寄生電感效應
，我們使用了一個采用直接驅動配置的空乏型GaN半橋功率級（圖2）。我們將半橋設置為一個降壓轉換器，總線電壓480V，死區時間50ns時50%占空比（輸出電壓 [VOUT] = 240V），以及一個8A的電感器電流。這個GaN柵極在開關電壓電平間被直接驅動。一個阻性驅動設定GaN器件的接通壓擺率。一個電流源隻會仿真一個與連續傳導模式降壓轉換器內開關 (SW) 節點所連接的電感負載。

 

共源電感

 

高速開關中最重要的一個寄生要素是共源電感（圖1a中的Lcs），它限製了器件汲取電流的壓擺率。在傳統的TO-220封裝中，GaN源由焊線流至引線，而汲取電流與柵極電流都從這裏流過。這個共源電感在汲取電流改變時調製柵源電壓。共源電感會高於10nH（其中包括焊線和封裝引線），從而限製了壓擺率 (di/dt)，並增加開關損耗。

 

借助圖1b中所示的集成式封裝，驅動器接地直接焊接至GaN裸片的源焊墊。這個Kelvin源連接最大限度地縮短了電源環路與柵極環路共用的共源電感路徑
，從而使得器件能夠以高很多的電流壓擺率來開關。可以將一個Kelvin源引腳添加到一個分立式封裝內
；然而，這個額外的引腳會使其成為一個不標準的電源封裝。Kelvin源引腳還必須從印刷電路板 (PCB) 引回至驅動器封裝
，從而增加了柵極環路電感。

 

圖3.不同共源電感情況下的高管接通：紅色 = 0nH，綠色 = 1nH，藍色 = 5nH。E_HS是高管器件的VDS和IDS在運行時間內的積分值（能耗）。

 

圖3顯示的是高管開關接通時的硬開關波形。在共源電感為5nH時shi
，由you於yu源yuan降jiang級ji效xiao應ying
，壓ya擺bai率lv減jian半ban。一yi個ge更geng低di的de壓ya擺bai率lv會hui帶dai來lai更geng長chang的de轉zhuan換huan時shi間jian
，導dao致zhi更geng高gao的de交jiao叉cha傳chuan導dao損sun耗hao，如ru能neng耗hao曲qu線xian圖tu中zhong所suo示shi。在zai共gong源yuan電dian感gan為wei5nH時
，能量損耗從53μJ增加至85μJ
，增加了60%。假定開關頻率為100kHz，功率損耗則會從從5.3W增加至8.5W。

 

柵極環路電感

 

柵極環路電感包括柵極電感和驅動器接地電感。柵極電感是驅動器輸出與GaN柵極之間的電感。在使用獨立封裝時，柵極電感包括驅動器輸出焊線 (Ldrv_out)、GaN柵極焊線 (Lg_gan) 和PCB跡線 (Lg_pcb)
，如圖1a中所示。

 

基於不同的封裝尺寸，柵極電感會從緊湊型表麵貼裝封裝（例如，四方扁平無引線封裝）的幾納亨到有引線功率封裝（例如TO-220）的10nH以上。如果驅動器與GaN FET集成在同一個引線框架內（圖1b），GaN柵極直接焊接到驅動器輸出上，這樣可以將柵極電感減少至1nH以下。封裝集成還可以極大地降低驅動器接地電感（從圖1a中的Ldrv_gnd + Ls_pcb到圖1b中的Lks）。

 

降低柵極環路電感對於開關性能有著巨大影響

，特別是在關閉期間

，GaN柵zha極ji被bei一yi個ge電dian阻zu器qi下xia拉la。這zhe個ge電dian阻zu器qi的de電dian阻zu值zhi需xu要yao足zu夠gou低di，這zhe樣yang的de話hua
，器qi件jian才cai不bu會hui在zai開kai關guan期qi間jian由you於yu漏lou極ji被bei拉la高gao而er又you重zhong新xin接jie通tong。這zhe個ge電dian阻zu器qi與yuGaN器件的柵源電容和柵極環路電感組成了一個電感器-電阻器-電容器 (L-R-C) 槽路。方程式1中的Q品質因數表示為：

 

 

在柵極環路電感值更大時，Q品質因數增加，振鈴變得更高。這個效應用一個1Ω下拉電阻關閉低管GaN FET進行仿真，圖4中這個效應的出現時間為9.97μs
，其中柵極環路電感變化範圍介於2nH到10nH之間。在10nH的情況下，低管VGS在負柵極偏置以下產生12V振鈴。這就極大地增加了GaN晶體管柵極的應力。需要注意的一點是，任何FET的柵極上的過應力都會對可靠性產生負麵影響。

 

柵zha極ji環huan路lu電dian感gan還hai會hui對dui關guan斷duan保bao持chi能neng力li產chan生sheng巨ju大da影ying響xiang。當dang低di管guan器qi件jian的de柵zha極ji保bao持chi在zai關guan閉bi電dian壓ya時shi
，並bing且qie高gao管guan器qi件jian接jie通tong，低di管guan漏lou極ji電dian容rong將jiang一yi個ge大da電dian流liu傳chuan送song到dao柵zha極ji的de保bao持chi環huan路lu中zhong。這zhe電dian流liu通tong過guo柵zha極ji環huan路lu電dian感gan將jiang柵zha極ji推tui上shang去qu。圖tu4在大約10.02µs時的曲線變化便是說明了這一點。隨著電感增加，低管VGS被推得更高，從而增加了直通電流，這一點在高管漏電流曲線圖中可見 (ID_HS)。這個直通電流使得交叉傳導能量損耗 (E_HS) 從53µJ增加至67µJ。

 

圖4. 不同柵極環路電感下的低管關閉和高管接通波形：紅色 = 2nH，綠色 = 4nH
，藍色 = 10nH。E_HS是高管能耗。

 

根據方程式 (1)，減輕柵極應力的一個方法就是增加下拉電阻值
，反過來減少L-R-C槽路的Q品質因數。圖5顯示的是用一個10nH柵極環路電感和在1Ω到3Ω之間變化的下拉電阻 (Rpd) 進行的仿真結果。雖然柵極下衝被一個3Ω下拉電阻限製在負偏置電壓以下的數伏特內
，但是關斷保持能力惡化

，從而導致更大的直通電流。這一點在漏電流曲線圖中很明顯。

 

E_HS能量曲線圖顯示出，在每個開關周期內有額外的13µJ損耗，與2nH的柵極環路電感和1Ω下拉電阻時53µJ相比，差不多增加了60%（圖4）。

 

假定開關頻率為100kHz，高管器件上的功率損耗從5.3W增加至8W，qiyuanyinshiyougaozhajihuanludianganhegaoxialadianzuzhisuodaozhidezhitong。zhegeewaidegonglvsunhaohuishidegonglvqijianneidesanrebiandeshifennanyiguanli，bingqiehuizengjiafengzhuanghelengquechengben。

 

圖5. 使用10nH柵極環路電感和下拉電阻時的仿真結果：Rpd = 1Ω（紅色）、2Ω（綠色）和3Ω（藍色）。E_HS是高管能耗。

 

為(wei)了(le)減(jian)輕(qing)直(zhi)通(tong)電(dian)壓(ya)
，可(ke)以(yi)將(jiang)柵(zha)極(ji)偏(pian)置(zhi)為(wei)更(geng)大(da)的(de)負(fu)電(dian)壓(ya)，不(bu)過(guo)這(zhe)樣(yang)做(zuo)會(hui)增(zeng)加(jia)柵(zha)極(ji)上(shang)的(de)應(ying)力(li)，並(bing)且(qie)會(hui)在(zai)器(qi)件(jian)處(chu)於(yu)第(di)三(san)象(xiang)限(xian)時(shi)增(zeng)大(da)死(si)區(qu)時(shi)間(jian)損(sun)耗(hao)。因(yin)此(ci)，在(zai)柵(zha)極(ji)環(huan)路(lu)電(dian)感(gan)比(bi)較(jiao)高(gao)時(shi)，柵(zha)極(ji)應(ying)力(li)與(yu)器(qi)件(jian)關(guan)斷(duan)保(bao)持(chi)能(neng)力(li)之(zhi)間(jian)的(de)均(jun)衡(heng)和(he)取(qu)舍(she)很(hen)難(nan)管(guan)理(li)。你(ni)必(bi)須(xu)增(zeng)加(jia)柵(zha)極(ji)應(ying)力(li)，或(huo)者(zhe)允(yun)許(xu)半(ban)橋(qiao)直(zhi)通(tong)，這(zhe)會(hui)增(zeng)加(jia)交(jiao)叉(cha)傳(chuan)導(dao)損(sun)耗(hao)和(he)電(dian)流(liu)環(huan)路(lu)振(zhen)鈴(ling)，並(bing)且(qie)會(hui)導(dao)致(zhi)安(an)全(quan)工(gong)作(zuo)區(qu) (SOA) 問題。一個集成式GaN/驅動器封裝提供低柵極環路電感
，並且最大限度地降低柵極應力和直通風險。

 

GaN器件保護

 

將驅動器與GaN晶(jing)體(ti)管(guan)安(an)裝(zhuang)在(zai)同(tong)一(yi)個(ge)引(yin)線(xian)框(kuang)架(jia)內(nei)可(ke)以(yi)確(que)保(bao)它(ta)們(men)的(de)溫(wen)度(du)比(bi)較(jiao)接(jie)近(jin)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)引(yin)線(xian)框(kuang)架(jia)的(de)導(dao)熱(re)性(xing)能(neng)極(ji)佳(jia)。熱(re)感(gan)測(ce)和(he)過(guo)熱(re)保(bao)護(hu)可(ke)以(yi)置(zhi)於(yu)驅(qu)動(dong)器(qi)內(nei)部(bu)，使(shi)得(de)當(dang)感(gan)測(ce)到(dao)的(de)溫(wen)度(du)超(chao)過(guo)保(bao)護(hu)限(xian)值(zhi)時(shi)，GaN FET將關閉。

 

一個串聯MOSFET或一個並聯GaN感測FET可以被用來執行過流保護。它們都需要GaN器件與其驅動器之間具有低電感連接。由於GaN通常以較大的di/dt進行極快的開關，互聯線路中的額外電感會導致振鈴

，並且需要較長的消隱時間來防止電流保護失效。集成驅動器確保了感測電路與GaN FET之間盡可能少的電感連接，這樣的話，電流保護電路可以盡可能快的做出反應，以保護器件不受過流應力的影響。

 

圖6. 一個半橋降壓轉換器（通道2）中的高管接通時的SW節點波形。

 

開關波形

 

圖6是一個半橋的開關波形；

 

這個半橋包含2個集成式驅動器的GaN器件，采用8mm x 8mm四方扁平無引線 (QFN) 封裝。通道2顯示SW節點，此時高管器件在總線電壓為480V的情況下，以120V/ns的壓擺率被硬開關。這個經優化的驅動器集成式封裝和PCB將過衝限製在50V以下。需要說明的一點是，捕捉波形時使用的是1GHz示波器和探頭。

 

結論

 

GaNjingtiguanyuqiqudongqidefengzhuangjichengxiaochulegongyuandiangan
，congershixianlegaodianliuyabailv。tahaijianshaolezhajihuanludiangan
，yijinkenengdijiangdiguanbiguochengzhongdezhajiyingli，bingqietishengqijiandeguanduanbaochinengli。jichengyeshideshejirenyuannenggouweiGaN FET搭建高效的過熱和電流保護電路。

 

 

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