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GaN 器件应该如何驱动?

关键词:GaN 器件 硅开关 驱动电路

时间:2019-11-26 13:59:13       来源:网络

氮化镓(GaN)是最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,因此需谨慎应用,集成正确的门极驱动对于实现最佳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最严格的 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。

对比 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 性能的其他差别是没有漏源 / 栅雪崩电压额定值和相对较低的绝对最大门极电压,Si MOSFET 约+/-20V,而 GaN 通常只有+/-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绝对最大限值内并不是唯一的要求。对于最快的开关,一个典型的 GaN 器件需要被驱动到约 5.2V 的最佳 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中功率被耗散。因此,使电压摆幅保持最小很重要,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,同时保持精确的电压。 

理论上,GaN 器件在 VGS = 0 安全关断,但在现实世界中,即使是最好的门极驱动器,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,为避免复杂,可通过谨慎布板和使用以‘开尔文连接’和具有最小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结构,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。

为了最大限度地防止灾难性的“击穿”和实现最佳能效,半桥高边和低边器件应保证无重叠被驱动,同时保持最少的死区时间。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进行开尔文连接,以避免共模电感。这可能是个问题,因为驱动器也有一个接地信号,这可能不是最好的连接。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。

应用示例 –'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应。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[1]及 NCP1568[2]有源钳位反激控制器 (细节省略)。该驱动器采用具有调节的+5.2V 幅度的门极驱动器用于高边和低边最佳增强型 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,最大传播延迟为 50 ns,且高低边提供独立的源汲输出,以定制门极驱动边沿,达到最佳的 EMI/ 能效折衷。在这种拓扑结构中,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。  

应用示例 – LLC 转换器

在功率大于 150 W 的情况下,谐振式 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、4×4mm 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 的示例布板,微型化并匹配门驱动回路。GaN 器件和驱动器被置于 PCB 同侧,通过适当地使用接地 / 返回面来避免大电流通孔。
  

图 4:GaN 门极驱动电路的好的布板

总结

对于 GaN 开关,需要仔细设计其门极驱动电路,以在实际应用中实现更高能效、功率密度及可靠性。此外,谨慎的布板,使用专用驱动器如安森美半导体的 NCP51820,及针对高低边驱动器的一系列特性,确保 GaN 器件以最佳性能工作。

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