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作者：安森美半導體策略營(yíng)銷(xiāo)總監Yong Ang 摘要 氮化鎵(GaN)是最接近理想的半導體開(kāi)關(guān)的器件，能夠以非常高的能效和高功率密度實(shí)現電源轉換。但GaN器件在某些方面不如舊的硅技術(shù)強固，因此需謹慎應用，集成正確的門(mén)極驅動(dòng)對于實(shí)現最佳性能和可靠性至關(guān)重要。本文著(zhù)眼于這些問(wèn)題，給出一個(gè)驅動(dòng)器方案，解決設計過(guò)程的風(fēng)險。 正文 氮化鎵(GaN)HEMT是電源轉換器的典范，其端到端能效高于當今的硅基方案，輕松超過(guò)服務(wù)器和云數據中心最嚴格的80+規范或USB PD外部適配器的歐盟行為準則Tier 2標準。雖然舊的硅基開(kāi)關(guān)技術(shù)聲稱(chēng)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，外部驅動(dòng)電路必須與GaN器件匹配，同時(shí)還要精心布板。 對比GaN和硅開(kāi)關(guān) 更高能效是增強型GaN較硅(Si)開(kāi)關(guān)的主要潛在優(yōu)勢。不同于耗盡型GaN，增強型GaN通常是關(guān)斷的器件，因此它需要一個(gè)正門(mén)極驅動(dòng)電壓來(lái)導通。增強型GaN的更高能效源于較低的器件電容和GaN的反向(第三象限)導電能力，但反向恢復電荷為零，這是用于硬開(kāi)關(guān)應用的一個(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(mén)極驅動(dòng)器快速門(mén)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�？赡苡绊憣�(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較低的絕對最大門(mén)極電壓，Si MOSFET約+/-20V，而GaN通常只有+/-10V。另外，GaN的導通閾值(VGTH) 約1.5V，遠低于Si MOSFET(約3.5V)。如果外部驅動(dòng)和負載電路能夠可靠地控制源極和門(mén)極電壓，開(kāi)關(guān)頻率可達數百kHz或MHz區域，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(mén)極驅動(dòng)對性能至關(guān)重要 使門(mén)極驅動(dòng)電壓保持在絕對最大限值內并不是唯一的要求。對于最快的開(kāi)關(guān)，一個(gè)典型的GaN器件需要被驅動(dòng)到約5.2V的最佳VG(ON)值，這樣才能完全增強，而不需要額外的門(mén)極驅動(dòng)功率。驅動(dòng)功率PD由下式得出： 
其中VSW為總門(mén)極電壓擺幅，f為開(kāi)關(guān)頻率，QGTOT為總門(mén)極電荷。雖然GaN門(mén)極具有有效的電容特性，但在門(mén)極的有效串聯(lián)電阻和驅動(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，對于GaN來(lái)說(shuō)，QGTOT是幾nC，約是類(lèi)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，因此對于納秒開(kāi)關(guān)具有納米庫侖門(mén)極電荷，峰值電流為放大器級，必須由驅動(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，但在現實(shí)世界中，即使是最好的門(mén)極驅動(dòng)器，直接施加到門(mén)極的電壓也不可能是0V。根據VOPP = -L di/dt (圖1)，在門(mén)極驅動(dòng)回路共有的源引線(xiàn)中的任何串聯(lián)電感L都會(huì )對門(mén)極驅動(dòng)器產(chǎn)生相反的電壓VOPP，這會(huì )導致高源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，但對于GaN，這可忽略不計。一種解決方案是提供一個(gè)負門(mén)極關(guān)斷電壓，可能-2或-3V，但這使門(mén)極驅動(dòng)電路復雜，為避免復雜，可通過(guò)謹慎布板和使用以‘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(mén)極驅動(dòng)共有的電感會(huì )引起電壓瞬變 高邊門(mén)極驅動(dòng)的挑戰 GaN器件不一定適合于所有的拓撲結構，如大多數“單端”反激式和正激式?jīng)]有反向導通，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。然而，“半橋”拓撲-如圖騰柱無(wú)橋PFC、LLC轉換器和有源鉗位反激-將自然成為GaN的根據地，無(wú)論是硬開(kāi)關(guān)還是軟開(kāi)關(guān)。這些拓撲都有“高邊”開(kāi)關(guān)，其源是個(gè)開(kāi)關(guān)節點(diǎn)，因此門(mén)極驅動(dòng)被一個(gè)具有納秒級的高壓和高頻波形所抵消。門(mén)極驅動(dòng)信號來(lái)源于參照系統地面的控制器，因此高邊驅動(dòng)器必須將電平移位與適當的耐壓額定值(通常為450 V或更高)結合起來(lái)。它還需要一種為高邊驅動(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)節點(diǎn)。開(kāi)關(guān)波形應力為dV/dt，GaN可達100 V/ns以上。這導致位移電流流經(jīng)驅動(dòng)器到地面，可能導致串聯(lián)電阻和連接電感的瞬態(tài)電壓，可能損壞敏感的差分門(mén)極驅動(dòng)電壓。因此，驅動(dòng)器應具有較強的dV/dt抗擾度。 為了最大限度地防止災難性的“擊穿”和實(shí)現最佳能效，半橋高邊和低邊器件應保證無(wú)重疊被驅動(dòng)，同時(shí)保持最少的死區時(shí)間。因此，高邊和低邊驅動(dòng)應有控制非常好的、匹配的傳播延遲。 對于低邊，接地驅動(dòng)器應直接在開(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，因為驅動(dòng)器也有一個(gè)接地信號，這可能不是最好的連接。因此，低邊驅動(dòng)器可能采用隔離或某種分離功率和信號的方法，具有一定程度的共模電壓容限。 GaN驅動(dòng)器可能需要安全隔離 現在增強型GaN器件正受到極大的關(guān)注用于離線(xiàn)應用，這種應用要求設備及其驅動(dòng)器至少有600 V的高壓額定值，但較低的電壓應用越來(lái)越普遍。如果驅動(dòng)器輸入信號由控制器產(chǎn)生，可通過(guò)通信接口人工訪(fǎng)問(wèn)連接，則驅動(dòng)器將需要符合相關(guān)代碼的安全隔離。這可通過(guò)高速信號伽伐尼隔離器以適當的絕緣電壓實(shí)現。保持驅動(dòng)器信號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轉換器中這是常態(tài)。 應用示例 – ‘有源鉗位反激’ 這是個(gè)有源鉗位反激拓撲的例子(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。與“緩沖”或硬齊納鉗位法相比，能效更高，EMI更好，漏波更干凈，電路應用功耗低，在45W到150 W之間，典型的應用包括支持USB PD的手機和膝上型計算機的旅行適配器，以及嵌入式電源。
圖2：GaN有源鉗位反激轉換器概覽 圖2顯示安森美半導體的NCP51820專(zhuān)用GaN門(mén)極驅動(dòng)器[1]及NCP1568[2]有源鉗位反激控制器 (細節省略)。該驅動(dòng)器采用具有調節的+5.2V幅度的門(mén)極驅動(dòng)器用于高邊和低邊最佳增強型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)的結隔離技術(shù)。如果在低邊器件源極有一個(gè)電流檢測電阻器，低邊驅動(dòng)電平移位使開(kāi)爾文連接更容易。驅動(dòng)波形的上升和下降時(shí)間為1ns，最大傳播延遲為50 ns，且高低邊提供獨立的源汲輸出，以定制門(mén)極驅動(dòng)邊沿，達到最佳的EMI/能效折衷。在這種拓撲結構中，高低邊驅動(dòng)器不重疊，但具有不同的脈沖寬度，以實(shí)現由NCP1568器件控制的具漏極鉗位和零電壓開(kāi)關(guān)的電源轉換/調節。 應用示例 – LLC轉換器 在功率大于150 W的情況下，諧振式LLC轉換器因能效高、開(kāi)關(guān)電壓應力有限而常被使用。該轉換器的一個(gè)特點(diǎn)是驅動(dòng)波形為50%的占空比，通過(guò)變頻調節。因此，控制死區時(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。這種設計可以在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轉換器概覽 所示的安森美半導體NCP51820驅動(dòng)器確保門(mén)極驅動(dòng)不重疊，但這可視拓撲需要(如電流饋電轉換器)而禁用。該器件還含一個(gè)使能輸入和全面的保護，防止電源欠壓和過(guò)溫。它采用PQFN、4×4mm 的15引線(xiàn)封裝，使短、低電感連接到GaN器件的門(mén)極。 布板考量 在所有應用中，布板是成功的關(guān)鍵。圖4顯示了一個(gè)采用安森美半導體的NCP51820的示例布板，微型化并匹配門(mén)驅動(dòng)回路。GaN器件和驅動(dòng)器被置于PCB同側，通過(guò)適當地使用接地/返回面來(lái)避免大電流通孔。
圖4：GaN門(mén)極驅動(dòng)電路的好的布板 總結 對于GaN開(kāi)關(guān)，需要仔細設計其門(mén)極驅動(dòng)電路，以在實(shí)際應用中實(shí)現更高能效、功率密度及可靠性。此外，謹慎的布板，使用專(zhuān)用驅動(dòng)器如安森美半導體的NCP51820，及針對高低邊驅動(dòng)器的一系列特性，確保GaN器件以最佳性能工作。 參考文獻 [1] On Semiconductor NCP51820 https://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id=NCP51820 [2] On Semiconductor NCP1568 https://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id=NCP1568 [3] ON Semiconductor NCP13992 https://www.onsemi.com/PowerSolutions/product.do?id=NCP13992 |
