GaN器件的驱动设计方案

1、【Word版本下载可任意编辑】 GaN器件的驱动设计方案氮化镓(GaN)是接近理想的半导体开关的器件，能够以非常高的能效和高功率密度实现电源转换。但GaN器件在某些方面不如旧的硅技术强固，因此需慎重应用，集成正确的门极驱动对于实现性能和可靠性至关重要。本文着眼于这些问题，给出一个驱动器方案，解决设计过程的风险。 正文 氮化镓(GaN)HEMT是电源转换器的典范，其端到端能效高于当今的硅基方案，轻松超过服务器和云数据中心严格的80+规范或USB PD外部适配器的欧盟行为准则Tier 2标准。虽然旧的硅基开关技术声称性能接近理想，可快速、低损耗开关，而GaN器件更接近但不可直接替代。为了充分发挥该

2、技术的潜在优势，外部驱动电路必须与GaN器件匹配，同时还要精心布板。 比照GaN和硅开关 更高能效是增强型GaN较硅(Si)开关的主要潜在优势。不同于耗尽型GaN，增强型GaN通常是关断的器件，因此它需要一个正门极驱动电压来导通。增强型GaN的更高能效源于较低的器件电容和GaN的反向(第三象限)导电能力，但反向恢复电荷为零，这是用于硬开关应用的一个主要优点。低栅极源和栅极漏电容，产生低总栅电荷，支持门极驱动器快速门极开关和低损耗。此外，低输出电容提供较低的关断损耗。可能影响实际GaN性能的其他差异是没有漏源/栅雪崩电压额定值和相对较低的门极电压，Si MOSFET约+/-20V，而GaN通常只

3、有+/-10V。另外，GaN的导通阈值(VGTH) 约1.5V，远低于Si MOSFET(约3.5V)。如果外部驱动和负载电路能够可靠地控制源极和门极电压，开关频率可达数百kHz或MHz区域，从而保持高能效，进而减小磁性器件和电容尺寸，提供高功率密度。 GaN门极驱动对性能至关重要 使门极驱动电压保持在限值内并不是的要求。对于快的开关，一个典型的GaN器件需要被驱动到约5.2V的VG(ON)值，这样才能完全增强，而不需要额外的门极驱动功率。驱动功率PD由下式得出： 其中VSW为总门极电压摆幅，f为开关频率，QGTOT为总门极电荷。虽然GaN门极具有有效的电容特性，但在门极的有效串联电阻和驱动器

4、中功率被耗散。因此，使电压摆幅保持很重要，特别是在频率很高的情况下。通常，对于GaN来说，QGTOT是几nC，约是类似的硅MOSFET值的十分之一-这也是GaN能够如此快速开关的原因之一。GaN器件是由电荷控制的，因此对于纳秒开关具有纳米库仑门极电荷，峰值电流为放大器级，必须由驱动器提供，同时保持的电压。 理论上，GaN器件在VGS = 0安全关断，但在现实世界中，即使是的门极驱动器，直接施加到门极的电压也不可能是0V。根据VOPP = -L di/dt (图1)，在门极驱动回路共有的源引线中的任何串联电感L都会对门极驱动器产生相反的电压VOPP，这会导致高源di/dt的假开关。同样的影响可能

5、是由关态dv/dt迫使电流流过器件的“Miller”电容造成的，但对于GaN，这可忽略不计。一种解决方案是提供一个负门极关断电压，可能-2或-3V，但这使门极驱动电路复杂，为防止复杂，可通过慎重布板和使用以开尔文连接和具有封装电感的器件如低高度、无铅PQFN型封装。 图1：源极和门极驱动共有的电感会引起电压瞬变高边门极驱动的挑战 GaN器件不一定适合于所有的拓扑构造，如大多数“单端”反激式和正激式没有反向导通，而且其高于硅MOSFET的额外成本超过了任何小的能效优势。然而，“半桥”拓扑-如图腾柱无桥PFC、LLC转换器和有源钳位反激-将自然成为GaN的根据地，无论是硬开关还是软开关。这些拓扑都

6、有“高边”开关，其源是个开关节点，因此门极驱动被一个具有纳秒级的高压和高频波形所抵消。门极驱动信号于参照系统地面的控制器，因此高边驱动器必须将电平移位与适当的耐压额定值(通常为450 V或更高)结合起来。它还需要一种为高边驱动产生低压电源轨的方法，通常采用由自举二极管和电容组成的网络，参照开关节点。开关波形应力为dV/dt，GaN可达100 V/ns以上。这导致位移电流流经驱动器到地面，可能导致串联电阻和连接电感的瞬态电压，可能损坏敏感的差分门极驱动电压。因此，驱动器应具有较强的dV/dt抗扰度。 为了限度地防止灾难性的“击穿”和实现能效，半桥高边和低边器件应保证无重叠被驱动，同时保持少的死区

7、时间。因此，高边和低边驱动应有控制非常好的、匹配的传播延迟。 对于低边，接地驱动器应直接在开关源开展开尔文连接，以防止共模电感。这可能是个问题，因为驱动器也有一个接地信号，这可能不是的连接。因此，低边驱动器可能采用隔离或某种分离功率和信号的方法，具有一定程度的共模电压容限。 GaN驱动器可能需要安全隔离 现在增强型GaN器件正受到极大的关注用于离线应用，这种应用要求设备及其驱动器至少有600 V的高压额定值，但较低的电压应用越来越普遍。如果驱动器输入信号由控制器产生，可通过通信接口人工访问连接，则驱动器将需要符合相关代码的安全隔离。这可通过高速信号伽伐尼隔离器以适当的绝缘电压实现。保持驱动器信

8、号边缘率和高低边匹配成为这些布板的问题，虽然控制器电路常被允许primary-referenced，但无论如何，在大多AC-DC转换器中这是常态。 应用例如 有源钳位反激 这是个有源钳位反激拓扑的例子(图2)，使用一个高边开关将换流变压器的漏感能量循环供给。与“缓冲”或硬齐纳钳位法相比，能效更高，EMI更好，漏波更干净，电路应用功耗低，在45W到150 W之间，典型的应用包括支持USB PD的手机和膝上型计算机的旅行适配器，以及嵌入式电源。 图2：GaN有源钳位反激转换器概览 图2显示安森美半导体的NCP51820专用GaN门极驱动器及NCP1568有源钳位反激控制器 (细节省略)。该驱动器采

9、用具有调节的+5.2V幅度的门极驱动器用于高边和低边增强型GaN。其高边共模电压范围-3.5V到+650V，低边共模电压范围为-3.5至+3.5V，dv/dt抗扰度200 V/ns，采用了先进的结隔离技术。如果在低边器件源极有一个电流检测电阻器，低边驱动电平移位使开尔文连接更容易。驱动波形的上升和下降时间为1ns，传播延迟为50 ns，且高低边提供独立的源汲输出，以定制门极驱动边沿，到达的EMI/能效折衷。在这种拓扑构造中，高低边驱动器不重叠，但具有不同的脉冲宽度，以实现由NCP1568器件控制的具漏极钳位和零电压开关的电源转换/调节。 应用例如 LLC转换器 在功率大于150 W的情况下，谐

10、振式LLC转换器因能效高、开关电压应力有限而常被使用。该转换器的一个特点是驱动波形为50%的占空比，通过变频调节。因此，控制死区时间以保证不发生重叠至关重要。图3显示了NCP13992高性能LLC控制器的典型架构。这种设计可以在500 kHz的开关频率下工作，并且通常用于大功率游戏适配器和OLED电视、一体化电脑的嵌入式电源。 图3：基于GaN的LLC转换器概览 所示的安森美半导体NCP51820驱动器确保门极驱动不重叠，但这可视拓扑需要(如电流馈电转换器)而禁用。该器件还含一个使能输入和全面的保护，防止电源欠压和过温。它采用PQFN、44mm 的15引线封装，使短、低电感连接到GaN器件的门极。 布板考量 在所有应用中，布板是成功的关键。图4显示了一个采用安森美半导体的NCP51820的例如布板，微型化并匹配门驱动回路。GaN器件和驱动