納芯微發(fā)布專(zhuān)為增強型GaN設計的高壓半橋驅動(dòng)芯片NSD2622N，該芯片集成正負壓穩壓電路，支持自舉供電，具備高dv/dt抗擾能力和強驅動(dòng)能力，可以顯著(zhù)簡(jiǎn)化GaN驅動(dòng)電路設計，提升系統可靠性并降低系統成本。 應用背景 近年來(lái)，氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)憑借高開(kāi)關(guān)頻率、低開(kāi)關(guān)損耗的顯著(zhù)優(yōu)勢，能夠大幅提升電源系統的功率密度，明顯優(yōu)化能效表現，降低整體系統成本，在人工智能(AI)數據中心電源、微型逆變器、車(chē)載充電機(OBC)等高壓大功率領(lǐng)域得到日益廣泛的應用。 然而，GaN器件在實(shí)際應用中仍面臨諸多挑戰。以增強型氮化鎵(E-mode GaN)器件為例，由于導通閾值較低，在高壓大功率場(chǎng)景，特別是硬開(kāi)關(guān)工作模式下，如果驅動(dòng)電路設計不當，高頻、高速開(kāi)關(guān)過(guò)程中極易因串擾而導致誤導通現象。與此同時(shí)，適配的驅動(dòng)電路設計也比較復雜，這無(wú)疑提高了GaN器件的應用門(mén)檻。 為了加速GaN應用普及，國內外頭部GaN廠(chǎng)家近年來(lái)推出了一些集成驅動(dòng)IC的GaN功率芯片，特別是MOSFET-LIKE類(lèi)型的GaN功率芯片，其封裝形式可與Si MOSFET兼容，在一定程度上降低了GaN驅動(dòng)電路的設計難度。但集成驅動(dòng)的GaN芯片仍存在很多局限性：一方面難以滿(mǎn)足一些客戶(hù)對于差異化產(chǎn)品設計的需求；另一方面，在多管并聯(lián)、雙向開(kāi)關(guān)等應用場(chǎng)景中并不適用，所以在諸多應用場(chǎng)景中仍需要分立GaN器件及相應的驅動(dòng)電路。對此，納芯微針對E-mode GaN開(kāi)發(fā)專(zhuān)用驅動(dòng)芯片NSD2622N，致力于為高壓大功率場(chǎng)景下的GaN應用，提供高性能、高可靠性且具備成本競爭力的驅動(dòng)解決方案。 產(chǎn)品特性 NSD2622N是一款專(zhuān)為E-mode GaN設計的高壓半橋驅動(dòng)芯片，該芯片內部集成了電壓調節電路，可以生成5V~6.5V可配置的穩定正壓，從而實(shí)現對GaN器件的可靠驅動(dòng)；內部還集成了電荷泵電路，可以生成-2.5V的固定負壓用于GaN可靠關(guān)斷。該芯片由于將正負電源穩壓電路集成到內部，因此可以支持高邊輸出采用自舉供電方式。 NSD2622N采用納芯微成熟可靠的電容隔離技術(shù)，高邊驅動(dòng)可以支持-700V到+700V耐壓，最低可承受200V/ns的SW電壓變化速率，同時(shí)高低邊輸出具有低傳輸延時(shí)和較小的傳輸延時(shí)匹配特性，完全滿(mǎn)足GaN高頻、高速開(kāi)關(guān)的需求。此外，NSD2622N高低邊輸出均能提供2A/-4A峰值驅動(dòng)電流，足以應對各類(lèi)GaN應用對驅動(dòng)速度的要求，并且可用于GaN并聯(lián)使用場(chǎng)景。NSD2622N內部還集成一顆5V固定輸出的LDO，可以為數字隔離器等電路供電，以用于需要隔離的應用場(chǎng)景。 NSD2622N詳細參數： • SW耐壓范圍：-700V~700V • SW dv/dt抑制能力大于200V/ns • 支持5V~15V寬范圍供電 • 5V~6.5V可調輸出正壓 • -2.5V內置輸出負壓 • 2A/4A峰值驅動(dòng)電流 • 典型值10ns最小輸入脈寬 • 典型值38ns輸入輸出傳輸延時(shí) • 典型值5ns脈寬畸變 • 典型值6.5ns上升時(shí)間（1nF 負載） • 典型值6.5ns下降時(shí)間（1nF 負載） • 典型值20ns內置死區 • 高邊輸出支持自舉供電 • 內置LDO固定5V輸出用于數字隔離器供電 • 具備欠壓保護、過(guò)溫保護 • 工作環(huán)境溫度范圍：-40℃~125℃
NSD2622N功能框圖 告別誤導通風(fēng)險，提供更穩定的驅動(dòng)電壓 相較于普通的Si MOSFET驅動(dòng)方案，E-mode GaN驅動(dòng)電路設計的最大痛點(diǎn)是需要提供適當幅值且穩定可靠的正負壓偏置。這是因為E-mode GaN驅動(dòng)導通電壓一般在5V~6V，而導通閾值相對較低僅1V左右，在高溫下甚至更低，往往需要負壓關(guān)斷以避免誤導通。為了給E-mode GaN提供合適的正負壓偏置，一般有阻容分壓和直驅兩種驅動(dòng)方案： 1.阻容分壓驅動(dòng)方案 這種驅動(dòng)方案可以采用普通的Si MOSFET驅動(dòng)芯片，如圖所示，當驅動(dòng)開(kāi)通時(shí)，圖中Cc與Ra并聯(lián)后和Rb串聯(lián)，將驅動(dòng)供電電壓（如10V）進(jìn)行分壓后，為GaN柵極提供6V驅動(dòng)導通電壓，Dz1起到鉗位正壓的作用；當驅動(dòng)關(guān)斷時(shí)，Cc電容放電為GaN柵極提供關(guān)斷負壓，Dz2起到鉗位負壓的作用。
阻容分壓驅動(dòng)方案 以上阻容分壓電路盡管對驅動(dòng)芯片要求不高，但由于驅動(dòng)回路元器件數量較多，容易引入額外寄生電感，會(huì )影響GaN在高頻下的開(kāi)關(guān)性能。此外，由于阻容分壓電路的關(guān)斷負壓來(lái)自于電容Cc放電，關(guān)斷負壓并不可靠。 如以下半橋demo板實(shí)測波形所示，在啟機階段（圖中T1）由于電容Cc還沒(méi)有充電，負壓無(wú)法建立，所以此時(shí)是零壓關(guān)斷；在驅動(dòng)芯片發(fā)波后的負壓關(guān)斷期間（圖中T2），負壓幅值隨電容放電波動(dòng)；在長(cháng)時(shí)間關(guān)斷時(shí)（圖中T3），電容負壓無(wú)法維持，逐漸放電到零伏。因此，阻容分壓電路往往用于對可靠性要求相對較低的中小功率電源應用，對于大功率電源系統并不適用。
E-mdoe GaN采用阻容分壓驅動(dòng)電路波形 （CH2為驅動(dòng)供電，CH3為GaN柵源電壓） 2.直驅式驅動(dòng)方案 直驅式驅動(dòng)方案首先需要選取合適欠壓點(diǎn)的驅動(dòng)芯片，如NSI6602VD，專(zhuān)為驅動(dòng)E-mode GaN設計了4V UVLO閾值，再配合外部正負電源穩壓電路，就可以直接驅動(dòng)E-mode GaN，以下為典型應用電路：
NSI6602VD驅動(dòng)電路
正負電源穩壓電路 這種直驅式驅動(dòng)電路在輔助電源正常工作時(shí)，各種工況下都可以為GaN提供可靠的關(guān)斷負壓，因此被廣泛使用在各類(lèi)高壓大功率GaN應用場(chǎng)景。 納芯微開(kāi)發(fā)的新一代GaN驅動(dòng)NSD2622N則直接將正負穩壓電源集成在芯片內部，如以下半橋demo板實(shí)測波形所示，NSD2622N關(guān)斷負壓的幅值、維持時(shí)間不受工況影響，在啟機階段（圖中T1）驅動(dòng)發(fā)波前負壓即建立起來(lái)；在GaN關(guān)斷期間（圖中T2），負壓幅值穩定；在驅動(dòng)芯片長(cháng)時(shí)間不發(fā)波時(shí)（圖中T3），負壓仍然穩定可靠。
E-mode GaN采用NSD2622N驅動(dòng)電路波形 （CH2為低邊GaN Vds，CH3為低邊GaN Vgs） 簡(jiǎn)化電路設計，降低系統成本 NSD2622N不僅可以通過(guò)直驅方式穩定、可靠驅動(dòng)GaN，最為重要的是，NSD2622N通過(guò)內部集成正負穩壓電源，顯著(zhù)減少了外圍電路元器件數量，并且采用自舉供電方式，極大簡(jiǎn)化了驅動(dòng)芯片的供電電路設計并降低系統成本。 以3kW PSU為例，假設兩相交錯TTP PFC和全橋LLC均采用GaN器件，對兩種直驅電路方案的復雜度進(jìn)行對比： 如果采用NSI6602VD驅動(dòng)方案，需要配合相應的隔離電源電路與正負電源穩壓電路，意味著(zhù)每一路半橋的高邊驅動(dòng)都需要一路獨立的隔離供電，所以隔離輔助電源的設計較為復雜。鑒于GaN驅動(dòng)對供電質(zhì)量要求較高，且PFC和LLC的主功率回路通常分別放置在獨立板卡上，因此，往往需要采用兩級輔助電源架構，第一級使用寬輸入電壓范圍的器件如flyback生成穩壓軌，第二級可以采用開(kāi)環(huán)全橋拓撲提供隔離電源，并進(jìn)一步穩壓生成NSI6602VD所需的正負供電電源，以下為典型供電架構：
NSI6602VD驅動(dòng)方案典型供電架構 如果采用NSD2622N驅動(dòng)方案，則可以直接通過(guò)自舉供電的方式來(lái)簡(jiǎn)化輔助電源設計，以下為典型供電架構：
NSD2622N驅動(dòng)方案典型供電架構 將以上兩種GaN直驅方案的驅動(dòng)及供電電路BOM進(jìn)行對比并匯總在下表，可以看到NSD2622N由于可以采用自舉供電，和NSI6602VD的隔離供電方案相比極大減少了整體元器件數量，并降低系統成本；即使采用隔離供電方式，NSD2622N由于內部集成正負穩壓電源，相比NSI6602VD外圍電路更簡(jiǎn)化，因此整體元器件數量也更少，系統成本更低。
GaN直驅方案的驅動(dòng)及供電電路BOM對比 適配多種類(lèi)型GaN，驅動(dòng)電壓靈活調節 納芯微開(kāi)發(fā)的E-mode GaN驅動(dòng)芯片NSD2622N，不僅性能強大，還能夠適配不同品牌、不同類(lèi)型（例如電壓型和電流型）以及不同耐壓等級的GaN器件。舉例來(lái)說(shuō)，NSD2622N的輸出電壓通過(guò)反饋電阻可以設定5V~6.5V的驅動(dòng)電壓。這樣一來(lái)，在搭配不同品牌的GaN時(shí)，僅僅通過(guò)調節反饋電阻就可以根據GaN特性設定最合適的驅動(dòng)電壓，使不同品牌的GaN都能工作在最優(yōu)效率點(diǎn)。 除此之外，NSD2622N具備最低200V/ns的SW節點(diǎn)dv/dt抑制能力，提升了GaN開(kāi)關(guān)速度上限；采用更為緊湊的QFN封裝以及提供獨立的開(kāi)通、關(guān)斷輸出引腳，從而進(jìn)一步減小驅動(dòng)回路并降低寄生電感；提供過(guò)溫保護功能，使GaN應用更安全。 納芯微還可提供單通道GaN驅動(dòng)芯片NSD2012N，采用3mm*3mm QFN封裝，并增加了負壓調節功能，從而滿(mǎn)足更多個(gè)性化應用需求。 |
