基于GaN器件的驱动设计方案

描述

氮化镓(GaN)它是最接近理想半导体开关的装置，能以非常高的能效和高功率密度实现电源转换。GaN该设备在某些方面没有旧的硅技术那么强大，因此需要仔细使用。集成正确的门极驱动器对于实现最佳性能和可靠性至关重要。本文专注于这些问题，提供了一个解决设计过程风险的驱动方案。

正文

氮化镓(GaN)HEMT它是电源转换器的典范，端到端能效高于今天的硅基方案，容易超过80个最严格的服务器和云数据中心 规范或USB PD欧盟外部适配器的行为准则Tier 2标准。虽然旧硅基开关技术声称性能接近理想，但它可以快速、低损耗地开关GaN设备更近，但不能直接更换。为了充分发挥该技术的潜在优势，必须使用外部驱动电路GaN设备匹配，同时精心布板。

对比GaN和硅开关

能效更高的是增强型GaN较硅(Si)开关的主要潜在优点。与耗尽型不同GaN，增强型GaN它通常是一个关闭的装置，所以它需要一个正门极驱动电压来导通。增强型GaN较低的设备电容和更高的能效GaN反向(第三象限)导电能力，但反向恢复电荷为零，是硬开关应用的主要优点。支持门极驱动器快速门极开关和低损耗，产生低总格栅电荷。此外，低输出电容器提供较低的关闭损耗。可能会影响现实GaN其他性能差异是无泄漏/格栅雪崩电压额定值和绝对最大门极电压相对较低，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)。若外部驱动和负载电路能够可靠地控制源极和门极电压，则开关频率可达数百kHz或MHz保持高能效，从而降低磁性器件和电容器的尺寸，提供高功率密度。

GaN门极驱动对性能至关重要

将门极驱动电压保持在绝对最大值并不是唯一的要求。典型的开关是最快的开关GaN装置需要驱动约5.2V的最佳VG(ON)值，以完全增强，而不需要额外的门极驱动功率。驱动功率PD以下公式得出：

其中VSW为主门极电压摆幅，f开关频率，QGTOT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耗散功率。因此，在频率较高的情况下，保持电压摆幅最小化是非常重要的。通常，对于GaN来说，QGTOT是几nC，类似的硅MOSFET这也是值的十分之一GaN开关如此快的原因之一。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安全关闭，但在现实世界中，即使是最好的门极驱动，直接施加到门极的电压也不可能是0V。根据VOPP = -L di/dt (图1)门极驱动电路共有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，这将导致高源di/dt的假开关。同样的影响可能是由关dv/dt迫使电流通过设备的Miller电容造成的，但对GaN，这可以忽略不计。可能-2或-3的解决方案是提供负极关断电压V，然而，这使得门极驱动电路复杂。为了避免复杂性，可以小心布板和使用低高度、无铅等具有最小包装电感的设备PQFN型封装。

图1：源极和门极驱动的共同电感会导致电压瞬变

挑战高边门极驱动

GaN该装置不一定适用于所有的拓扑结构。例如，大多数单端反向和正向没有反向导通，且高于硅MOSFET额外的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，其来源是开关节点，因此门极驱动被纳秒高压和高频波形抵消。门极驱动信号是指系统地面的控制器，因此高边驱动器必须将电平移位到适当的耐压额定值(通常是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，通常使用由自举二极管和电容组成的网络，参考开关节点。开关波形应力为dV/dt，GaN可达100 V/ns以上。这导致位移电流通过驱动器到地面，可能导致串联电阻和连接电感的瞬态电压，并可能损坏敏感差异门极驱动电压。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突破，达到最佳的能效，半桥高低边设备应保证无重叠驱动，同时保持最少的死区时间。因此，高低边驱动应控制良好、匹配的传输延迟。

对于低边缘，接地驱动器应直接连接到开关源，以避免共模电感。这可能是一个问题，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具有一定共模电压容量的隔离或分离功率和信号的方法。

GaN驱动器可能需要安全隔离

现在增强型GaN离线应用对设备及其驱动器至少有600这需要至少600台设备及其驱动器 V高压额定值，但低压应用越来越普遍。如果驱动器的输入信号由控制器产生，并且可以通过通信接口手动访问连接，则驱动器将需要与相关代码安全隔离。通过高速信号伽伐尼隔离器，可以实现适当的绝缘电压。尽管控制器电路经常被允许‘保持驱动信号边缘率和高低边匹配’primary-referenced但无论如何，在大多数情况下，AC-DC这是转换器中的常态。

应用示例 – ‘有源钳位反激’

这是一个有源钳位反向拓扑的例子(图2)，通过高边开关循环换流变压器的泄漏能量。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典型的应用包括支持USB PD手机、膝上计算机旅行适配器、嵌入式电源。

图2：GaN有源钳位反向转换器概述

图2显示安森美半导体NCP51820专用GaN门极驱动器[1]及NCP1568[2]有源钳位反激控制器 (省略细节)。该驱动器采用调节的驱动器 5.2V高边和低边最佳增强型门极驱动GaN。高边共模电压范围-3.5V到 650V，低边共模电压范围-3.5至 3.5V，dv/dt抗扰度200 V/ns，采用先进的结隔离技术。如果低边设备源极有电流检测电阻，低边驱动电平移位使开尔文更容易连接。驱动波形的上升和下降时间为1ns，最大传播延迟为50 ns，并提供独立的源吸输出，定制门极驱动边缘，达到最佳效果EMI/能效折衷。在这种拓扑结构中，高低边驱动器不重叠，但脉冲宽度不同NCP漏极钳位和零电压开关的电源转换/调节由1568装置控制。

应用示例 – LLC转换器

在功率大于150 W谐振式LLC由于能效高，开关电压应力有限，经常使用转换器。通过变频调节，转换器的一个特点是驱动波形占空比为50%。因此，控制死区时间以确保不重叠至关重要。图3显示了NCP13992高性能LLC典型的控制器架构。这个设计可以是5000 kHz在开关频率下工作，通常用于大功率游戏适配器和OLED嵌入式电源电视和集成电脑。

图3：基于GaN的LLC转换器概览

安森美半导体NCP51820驱动器确保门极驱动不重叠，但视觉拓扑需要（如电流馈电转换器）。该设备还包括能量输入和全面保护，以防止电源过压和过温。PQFN、4×4mm 15引线包装连接短、低电感GaN装置的门极。

布板考量

布板是所有应用中成功的关键。图4显示了安森美半导体的使用NCP51820示例布板，微型配门驱动电路。GaN放置在装置和驱动器上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良好的门极驱动电路布板

总结

对于GaN开关需要仔细设计门极驱动电路，以实现更高的能效、功率密度和可靠性。此外，小心使用安森美半导体等特殊驱动器NCP针对高低边驱动器的一系列特性，确保51820GaN性能最好的设备。

打开APP阅读更多精彩内容

点击阅读全文