【導(dǎo)讀】氮化鎵(GaN)是最接近理想的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的器件，能夠以非常高的能效和高功率密度實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換。但GaN器件在某些方面不如舊的硅技術(shù)強(qiáng)固，因此需謹(jǐn)慎應(yīng)用，集成正確的門極驅(qū)動(dòng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳性能和可靠性至關(guān)重要。本文著眼于這些問(wèn)題，給出一個(gè)驅(qū)動(dòng)器方案，解決設(shè)計(jì)過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)。
氮化鎵(GaN)HEMT是電源轉(zhuǎn)換器的典范，其端到端能效高于當(dāng)今的硅基方案，輕松超過(guò)服務(wù)器和云數(shù)據(jù)中心最嚴(yán)格的80+規(guī)范或USB PD外部適配器的歐盟行為準(zhǔn)則Tier 2標(biāo)準(zhǔn)。雖然舊的硅基開(kāi)關(guān)技術(shù)聲稱性能接近理想，可快速、低損耗開(kāi)關(guān)，而GaN器件更接近但不可直接替代。為了充分發(fā)揮該技術(shù)的潛在優(yōu)勢(shì)，外部驅(qū)動(dòng)電路必須與GaN器件匹配，同時(shí)還要精心布板。
對(duì)比GaN和硅開(kāi)關(guān)
更高能效是增強(qiáng)型GaN較硅(Si)開(kāi)關(guān)的主要潛在優(yōu)勢(shì)。不同于耗盡型GaN，增強(qiáng)型GaN通常是關(guān)斷的器件，因此它需要一個(gè)正門極驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)導(dǎo)通。增強(qiáng)型GaN的更高能效源于較低的器件電容和GaN的反向(第三象限)導(dǎo)電能力，但反向恢復(fù)電荷為零，這是用于硬開(kāi)關(guān)應(yīng)用的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)。低柵極源和柵極漏電容，產(chǎn)生低總柵電荷，支持門極驅(qū)動(dòng)器快速門極開(kāi)關(guān)和低損耗。此外，低輸出電容提供較低的關(guān)斷損耗。可能影響實(shí)際GaN性能的其他差別是沒(méi)有漏源/柵雪崩電壓額定值和相對(duì)較低的絕對(duì)最大門極電壓，Si MOSFET約+/-20V，而GaN通常只有+/-10V。另外，GaN的導(dǎo)通閾值(VGTH) 約1.5V，遠(yuǎn)低于Si MOSFET(約3.5V)。如果外部驅(qū)動(dòng)和負(fù)載電路能夠可靠地控制源極和門極電壓，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)數(shù)百kHz或MHz區(qū)域，從而保持高能效，進(jìn)而減小磁性器件和電容尺寸，提供高功率密度。
GaN門極驅(qū)動(dòng)對(duì)性能至關(guān)重要
使門極驅(qū)動(dòng)電壓保持在絕對(duì)最大限值內(nèi)并不是唯一的要求。對(duì)于最快的開(kāi)關(guān)，一個(gè)典型的GaN器件需要被驅(qū)動(dòng)到約5.2V的最佳VG(ON)值，這樣才能完全增強(qiáng)，而不需要額外的門極驅(qū)動(dòng)功率。驅(qū)動(dòng)功率PD由下式得出：
其中VSW為總門極電壓擺幅，f為開(kāi)關(guān)頻率，QGTOT為總門極電荷。雖然GaN門極具有有效的電容特性，但在門極的有效串聯(lián)電阻和驅(qū)動(dòng)器中功率被耗散。因此，使電壓擺幅保持最小很重要，特別是在頻率很高的情況下。通常，對(duì)于GaN來(lái)說(shuō)，QGTOT是幾nC，約是類似的硅MOSFET值的十分之一-這也是GaN能夠如此快速開(kāi)關(guān)的原因之一。GaN器件是由電荷控制的，因此對(duì)于納秒開(kāi)關(guān)具有納米庫(kù)侖門極電荷，峰值電流為放大器級(jí)，必須由驅(qū)動(dòng)器提供，同時(shí)保持精確的電壓。
理論上，GaN器件在VGS = 0安全關(guān)斷，但在現(xiàn)實(shí)世界中，即使是最好的門極驅(qū)動(dòng)器，直接施加到門極的電壓也不可能是0V。根據(jù)VOPP = -L di/dt (圖1)，在門極驅(qū)動(dòng)回路共有的源引線中的任何串聯(lián)電感L都會(huì)對(duì)門極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生相反的電壓VOPP，這會(huì)導(dǎo)致高源di/dt的假開(kāi)關(guān)。同樣的影響可能是由關(guān)態(tài)dv/dt迫使電流流過(guò)器件的“Miller”電容造成的，但對(duì)于GaN，這可忽略不計(jì)。一種解決方案是提供一個(gè)負(fù)門極關(guān)斷電壓，可能-2或-3V，但這使門極驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，為避免復(fù)雜，可通過(guò)謹(jǐn)慎布板和使用以‘開(kāi)爾文連接’和具有最小封裝電感的器件如低高度、無(wú)鉛PQFN型封裝。
圖1：源極和門極驅(qū)動(dòng)共有的電感會(huì)引起電壓瞬變
高邊門極驅(qū)動(dòng)的挑戰(zhàn)
GaN器件不一定適合于所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如大多數(shù)“單端”反激式和正激式?jīng)]有反向?qū)?，而且其高于硅MOSFET的額外成本超過(guò)了任何小的能效優(yōu)勢(shì)。然而，“半橋”拓?fù)?如圖騰柱無(wú)橋PFC、LLC轉(zhuǎn)換器和有源鉗位反激-將自然成為GaN的根據(jù)地，無(wú)論是硬開(kāi)關(guān)還是軟開(kāi)關(guān)。這些拓?fù)涠加?ldquo;高邊”開(kāi)關(guān)，其源是個(gè)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，因此門極驅(qū)動(dòng)被一個(gè)具有納秒級(jí)的高壓和高頻波形所抵消。門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)源于參照系統(tǒng)地面的控制器，因此高邊驅(qū)動(dòng)器必須將電平移位與適當(dāng)?shù)哪蛪侯~定值(通常為450 V或更高)結(jié)合起來(lái)。它還需要一種為高邊驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生低壓電源軌的方法，通常采用由自舉二極管和電容組成的網(wǎng)絡(luò)，參照開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)。開(kāi)關(guān)波形應(yīng)力為dV/dt，GaN可達(dá)100 V/ns以上。這導(dǎo)致位移電流流經(jīng)驅(qū)動(dòng)器到地面，可能導(dǎo)致串聯(lián)電阻和連接電感的瞬態(tài)電壓，可能損壞敏感的差分門極驅(qū)動(dòng)電壓。因此，驅(qū)動(dòng)器應(yīng)具有較強(qiáng)的dV/dt抗擾度。
為了最大限度地防止災(zāi)難性的“擊穿”和實(shí)現(xiàn)最佳能效，半橋高邊和低邊器件應(yīng)保證無(wú)重疊被驅(qū)動(dòng)，同時(shí)保持最少的死區(qū)時(shí)間。因此，高邊和低邊驅(qū)動(dòng)應(yīng)有控制非常好的、匹配的傳播延遲。
對(duì)于低邊，接地驅(qū)動(dòng)器應(yīng)直接在開(kāi)關(guān)源進(jìn)行開(kāi)爾文連接，以避免共模電感。這可能是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器也有一個(gè)接地信號(hào)，這可能不是最好的連接。因此，低邊驅(qū)動(dòng)器可能采用隔離或某種分離功率和信號(hào)的方法，具有一定程度的共模電壓容限。
GaN驅(qū)動(dòng)器可能需要安全隔離
現(xiàn)在增強(qiáng)型GaN器件正受到極大的關(guān)注用于離線應(yīng)用，這種應(yīng)用要求設(shè)備及其驅(qū)動(dòng)器至少有600 V的高壓額定值，但較低的電壓應(yīng)用越來(lái)越普遍。如果驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)由控制器產(chǎn)生，可通過(guò)通信接口人工訪問(wèn)連接，則驅(qū)動(dòng)器將需要符合相關(guān)代碼的安全隔離。這可通過(guò)高速信號(hào)伽伐尼隔離器以適當(dāng)?shù)慕^緣電壓實(shí)現(xiàn)。保持驅(qū)動(dòng)器信號(hào)邊緣率和高低邊匹配成為這些布板的問(wèn)題，雖然控制器電路常被允許‘primary-referenced’，但無(wú)論如何，在大多AC-DC轉(zhuǎn)換器中這是常態(tài)。
應(yīng)用示例 – ‘有源鉗位反激’
這是個(gè)有源鉗位反激拓?fù)涞睦?圖2)，使用一個(gè)高邊開(kāi)關(guān)將換流變壓器的漏感能量循環(huán)供應(yīng)。與“緩沖”或硬齊納鉗位法相比，能效更高，EMI更好，漏波更干凈，電路應(yīng)用功耗低，在45W到150 W之間，典型的應(yīng)用包括支持USB PD的手機(jī)和膝上型計(jì)算機(jī)的旅行適配器，以及嵌入式電源。
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專用GaN門極驅(qū)動(dòng)器[1]及NCP1568[2]有源鉗位反激控制器 (細(xì)節(jié)省略)。該驅(qū)動(dòng)器采用具有調(diào)節(jié)的+5.2V幅度的門極驅(qū)動(dòng)器用于高邊和低邊最佳增強(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(cè)電阻器，低邊驅(qū)動(dòng)電平移位使開(kāi)爾文連接更容易。驅(qū)動(dòng)波形的上升和下降時(shí)間為1ns，最大傳播延遲為50 ns，且高低邊提供獨(dú)立的源汲輸出，以定制門極驅(qū)動(dòng)邊沿，達(dá)到最佳的EMI/能效折衷。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，高低邊驅(qū)動(dòng)器不重疊，但具有不同的脈沖寬度，以實(shí)現(xiàn)由NCP1568器件控制的具漏極鉗位和零電壓開(kāi)關(guān)的電源轉(zhuǎn)換/調(diào)節(jié)。
應(yīng)用示例 – LLC轉(zhuǎn)換器
在功率大于150 W的情況下，諧振式LLC轉(zhuǎn)換器因能效高、開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力有限而常被使用。該轉(zhuǎn)換器的一個(gè)特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)波形為50%的占空比，通過(guò)變頻調(diào)節(jié)。因此，控制死區(qū)時(shí)間以保證不發(fā)生重疊至關(guān)重要。圖3顯示了NCP13992高性能LLC控制器的典型架構(gòu)。這種設(shè)計(jì)可以在500 kHz的開(kāi)關(guān)頻率下工作，并且通常用于大功率游戲適配器和OLED電視、一體化電腦的嵌入式電源。
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(dòng)器確保門極驅(qū)動(dòng)不重疊，但這可視拓?fù)湫枰?如電流饋電轉(zhuǎn)換器)而禁用。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(guò)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。
布板考量
在所有應(yīng)用中，布板是成功的關(guān)鍵。圖4顯示了一個(gè)采用安森美半導(dǎo)體的NCP51820的示例布板，微型化并匹配門驅(qū)動(dòng)回路。GaN器件和驅(qū)動(dòng)器被置于PCB同側(cè)，通過(guò)適當(dāng)?shù)厥褂媒拥?返回面來(lái)避免大電流通孔。
圖4：GaN門極驅(qū)動(dòng)電路的好的布板
總結(jié)
對(duì)于GaN開(kāi)關(guān)，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)其門極驅(qū)動(dòng)電路，以在實(shí)際應(yīng)用中實(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(dòng)器如安森美半導(dǎo)體的NCP51820，及針對(duì)高低邊驅(qū)動(dòng)器的一系列特性，確保GaN器件以最佳性能工作。
