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(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(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(duì)于納秒開(kāi)關(guān)具有納米庫(kù)侖門(mén)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(mén)極驅(qū)動(dòng)器,直接施加到門(mén)極的電壓也不可能是0V。根據(jù)VOPP = -L di/dt (圖1),在門(mén)極驅(qū)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(duì)門(mén)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(mén)極關(guān)斷電壓,可能-2或-3V,但這使門(mén)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(mén)極驅(qū)動(dòng)共有的電感會(huì)引起電壓瞬變
高邊門(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(xiàn)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(fǎng)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(zhuān)用GaN門(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(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(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(mén)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(mén)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(mén)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(zhuān)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。