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氮化镓晶体管的并联配置应用

时间:2021-03-25 10:47:17 晶振

【导读】在功率变换器应用中,宽带隙(WBG)技术发展日益成为中国传统硅晶体管的替代产品。在某些细分市场的应用场景中,提升工作效率极限一或两个百分点依然没有关系具有重大,变换器功率密度的提高学生可以通过提供学习更多应用比较优势,在这种情况下我们采用一种基于氮化镓(GaN)晶体管的解决问题方案设计意义重大。

 

引言

在功率变换器的应用中,宽带隙(WBG)技术正日益成为传统硅晶体管的替代品。

 

并联晶体管的设计挑战

在应用晶体管共联技术时,首先要考虑的是联合晶体管的通过电阻(RDS(on)。理想情况下,选定的设备应均匀匹配,以确保静电流均匀分布在联盟晶体管中。其次,在动态切换过程中,晶体管门缺乏对称性,不仅会导致流经晶体管的电流分布不平衡,动态电流和电路寄生参数也会导致高频振荡电压。如果这些问题不能解决,可能会导致晶体管损坏。

 

传统硅晶体管的并行组态技术已经非常成熟,但对于 gan 器件的并行组态技术的研究还很少。针对 gan 器件驱动程序的特殊性及其高速开关特性,首先介绍了 gan 器件的驱动电路设计。

 

正确设计驱动电路

像 infineon coolgan tm 600v hemt 这样的 gan 晶体管采用了门极 p 掺杂工艺,将器件的门极阈值电压转换为非常低的正向电压(1.0 v ~ 1.5 v)。所述栅极形成的 pn 结具有约为3.0 v 的正向电压(vf)和几个欧姆的电阻,并且与栅极电容器 cg 并联连接。因此,coolgan tm 晶体管驱动电路与传统的硅晶体管有很大的不同。在门极驱动过程中,一旦到达 miller 平台,门极电压就被锁定在 vf 值附近,这意味着在硬开关应用中,需要一个负电压来关闭晶体管。同时,库尔甘 tm 的驱动在稳态和开关状态下是不同的。

 

根据CoolGaN晶体管特性设计的栅极驱动电路如图1所示。为了保证正常的栅极驱动,驱动电压VS的峰值需要是VF的两倍以上(通常使用8V ~ 10V)。Ron提供瞬态低阻抗高速交流通路给Con和CGS充电,然后RSS形成并联稳态DC通路。因此,栅极导通的瞬态电流由Ron决定,而RSS决定稳态二极管电流。

 

在栅极关断时,CGS和Con中的电荷将快速发展达到一个平衡。此处我们必须能够确保Con大于CGS,以确保系统稳态的电荷差使栅极控制电压VG变为存在负值,从而在硬开关技术应用中关断晶体管。

 

图1 E模式下的GaN HEMT等效电路(左)和所提出的驱动方案(右)。

 

当 CoolGaN ™晶体管配置在一个联盟中时,每个连接的晶体管都使用具有相同参数的 RC 驱动器网络单独连接,然后连接到传统硅晶体管的标准驱动程序。联合体中的几个晶体管只需要一个孤立的驱动程序,例如分离的 EiceDRIVER™EDI20N12AF,它使用源 (OUT-) 和排水 (OUT-) 输出,使晶体管分别打开和关闭。当作为使用 12V 隔离电源的门驱动程序供电时,EiceDRIVER™内部将其分为正驱动电压和 -2.5V 反向关机电压,以确保驱动器电压不会超过晶体管门阈值,并显著减少反向制导通过损失。即使在低负荷到空气时,EiceDRIVER ™保持良好的门电压调节,以防止 RC 驱动的网络失去压力。

 

电流旁路对 GaN 晶体管并排配置的影响

即使每个晶体管配置有独立的 rc 驱动网络,并联晶体管的源电流仍然具有部分共享通路,从而影响栅极驱动器(见图2)。理想情况下,所有的源电流都会从漏极流向晶体管源极,但不可避免的是,部分源电流会流向开尔文源极。如果这些路径具有不同的阻抗和 pcb 布线,那么在并联 coolgan tm 晶体管栅极电路中的 vgs 电压可能不同,一个小到几毫伏的栅极电压差可能导致一个几安培的不平衡源电流分流,从而导致开关瞬态过程中并联晶体管之间产生较大的振荡。

 

图2:在CoolGaN的并行操作中,开尔文源路径中的高阻抗可以防止严重振荡。

 

共享经济驱动工作电流进行路径分析问题我们可以同时通过在开尔文源极路径中引入高阻抗共模(CM)电感解决。将共模电感器和一个1Ω电阻器配置在栅极和相应的Kelvin源极驱动器返回路径发展之间,栅极驱动器环路中将学生呈现很小的漏感,而并联晶体管的栅极共享服务路径中将企业由于他们两个共模电感的存在形式呈现高阻抗。选择共模电感需要有效避免对栅极驱动器的驱动学习能力方面产生重要影响,图3所示的SIMetrix仿真实验结果更加清楚显示了共模电感对共享创新驱动电流路径管理问题的抑制。

 

图3:仿真结果显示,40A电流是在没有共模电感(上)和共模电感(下)的情况下切换的。

 

PCB优化设计

并排配置晶体管的另一个常见问题是多氯联苯(设备布局、PCB 布线、多层 PCB 布局)中的寄生感应和电容器的影响,以及所用设备中的寄生感应和电容器的影响。对于 CoolGan ™,关键问题是 VGS 阈值范围和晶体管之间的 RDS(打开)之间的差异。通过模拟,在 SIMetrix 中对酷高晶体管进行建模和分析™。模拟模型使用 0.9V 到 1.6V 阈值电压和 55m 到 70m 的 RDS(打开)值的 CoolGaN ™?结果表明,连接晶体管的不道德流动只与所用晶体管之间的RDS(上)差有关。如有必要,可以通过执行严格的设备匹配来解决此问题。如前所述,使用 CM 电感应器可避免破坏性的连续电压振荡。但是,遵循良好的组件布局和 PCB 布线也是一个关键因素。电源回路和门驱动回路必须保持小而对称,同时确保开关节点的寄生电容尽可能低。

 

积累实践经验

了解学生挑战分析及其问题解决中国方案的最佳教学方法是在实验室管理进行研究试验。为此,英飞凌开发了并联半桥评估板,其中应用了以下四个70mΩ IGOT60R070D1 CoolGaN™晶体管。该评估板遵循了以上我们介绍的设计基本准则,可以为企业评估和设计技术开发工作提供了一个具有良好的基础。评估版还提供了大量测试点。需要教师注意的重要内容一点是,对于我国某些测量点,需要高带宽隔离差分探头,并且在实际使用前矫正以确保能够准确的波形采集。

 

通过进行连接外置电感,该评估板可用于提高降压或升压模块电路(buck circuit or boost circuit)测试、双脉冲(double pulse test)测试方法以及控制脉冲信号宽度不同调制(PWM)运行。评估板还适用于数千瓦功率技术等级或高开关工作频率至1MHz的软开关和硬开关可以应用。模块化教学设计简化了学生测试人员配置管理流程,除了使用板载100µF,450V的大容量选择电容影响之外,额外的连接器是否允许再增加自己一个环节母线电容。 该组件与另外我们两个部分高频旁路电容器发展一起,确定了450V的输出或母线保护电压质量等级。在安装比较合适的散热器、导热片和风扇的情况下,评估板可在硬开关或软开关下以高达28A的连续稳定电流,或峰值最大电流70A运行。 死区时间显示电路中的电位计也包括在评估板内,可通过RC网络信息实现企业延迟接通,以及需要通过利用二极管能够实现无延迟关断。

 

图4:并行半桥CoolGaN评估平台。

 

总结

尽管硅晶体管并联配置问题已经发展十分具有成熟,GaN晶体管并联配置企业对于我国许多研究设计技术工程师而言我们仍然没有存在一些挑战,采用一种不同于中国传统硅器件的栅极驱动模块电路是并联配置的关键。由此人们开始,GaN晶体管并联配置与硅晶体管相类似,但不完全相同。为保证并联晶体管均流,需要在教学设计不同阶段对PCB布线和器件选型方面进行管理优化。针对旁路电流对并联GaN晶体管的影响,在栅极和开尔文源极路径中加入自己合适的共模电感是必不可少的,这将有助于学生最大限度减小电压震荡。

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