德州儀器：GaN器件的直接驅(qū)動配置

Paul L. Brohlin設(shè)計和系統(tǒng)經(jīng)理；Yogesh K. Ramadass模擬設(shè)計經(jīng)理；Cetin Kaya設(shè)計工程師
? ? ? 受益于集成器件保護，直接驅(qū)動GaN器件可實現(xiàn)更高的開關(guān)電源效率和更佳的系統(tǒng)級可靠性。

高電壓（600V）氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）的開關(guān)特性可實現(xiàn)提高開關(guān)模式電源效率和密度的新型拓撲。GaN具有低寄生電容（Ciss、Coss、Crss）和無第三象限反向恢復(fù)的特點。這些特性可實現(xiàn)諸如圖騰柱無橋功率因數(shù)控制器（PFC）等較高頻率的硬開關(guān)拓撲。由于它們的高開關(guān)損耗，MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）實現(xiàn)此類拓撲。本文中，我們將重點介紹直接驅(qū)動GaN晶體管的優(yōu)點，包括更低的開關(guān)損耗、更佳的壓擺率控制和改進的器件保護。

簡介

在設(shè)計開關(guān)模式電源時，主要品質(zhì)因數(shù)（FOM）包括成本、尺寸和效率。［1］這三個FOM是耦合型，需要考慮諸多因素。例如，增加開關(guān)頻率可減小磁性元件的尺寸和成本，但會增加磁性元件的損耗和功率器件中的開關(guān)損耗。由于GaN的寄生電容低且沒有二極管反向恢復(fù)，因此與MOSFET和IGBT相比，GaN HEMT具有顯著降低損耗的潛力。

圖1：共源共柵驅(qū)動和直接驅(qū)動配置。 通常來講，MOSFET/IGBT驅(qū)動提供合適的導(dǎo)通和關(guān)斷電流，以支持輸入電容。驅(qū)動輸出和設(shè)備柵極之間的外部電阻控制壓擺率，并抑制功率和柵極環(huán)路振鈴。隨著GaN壓擺率增加，外部組件增加了過多的寄生電感，無法控制開關(guān)。將驅(qū)動與GaN器件集成到封裝中可最大程度降低寄生電感、降低開關(guān)損耗并優(yōu)化驅(qū)動控制。

直接驅(qū)動優(yōu)點

漏端和漏端之間的GaN中存在本征二維電子氣層（2-DEG），使該器件在零柵極-漏端電壓下導(dǎo)電。出于安全原因，沒有偏置電源時，必須關(guān)閉開關(guān)電源中使用的電源器件，以將輸入與輸出斷開。為模擬增強模式器件，將低壓MOSFET與GaN源端串聯(lián)放置。圖1所示為實現(xiàn)此目的的兩種不同配置：共源共柵驅(qū)動和直接驅(qū)動。

現(xiàn)在，我們將對比功耗，并描述與每種方法相關(guān)的警告所涉及的問題。

在共源共柵配置中，GaN柵極接地，MOSFET柵極被驅(qū)動，以控制GaN器件。由于MOSFET是硅器件，因此許多柵極驅(qū)動可用。但由于在GaN器件關(guān)閉之前必須將GaN柵極至漏端電容（Cgs）和MOSFET Coss充電至GaN閾值電壓，因此該配置具有較高的組合Coss。

在直接驅(qū)動配置中，MOSFET是一個直接驅(qū)動配置，由柵極驅(qū)動器在接地和負電壓（VNEG）之間驅(qū)動的GaN柵極導(dǎo)通/關(guān)斷組合器件。此外，MOSFET Coss無需充電。關(guān)斷GaN Cgs的電流來自較低的偏壓電源。較低的電源電壓可提供相同的GaN柵極至漏端電荷（Qgs），從而可降低功耗。這些功率效率差異在更高的開關(guān)頻率下會進一步放大。

反向恢復(fù)Qrr損失對于共源共柵配置有效。這是因為在第三象限導(dǎo)通中，MOSFET關(guān)斷，并通過體二極管導(dǎo)通。

圖 2：硬切換操作導(dǎo)致過多振鈴。 由于負載電流反向流動，因此MOSFET中存儲了電荷?？朔聪蚧謴?fù)電荷的電流來自高電壓電源，這會導(dǎo)致大量電損失。但在直接驅(qū)動配置中，MOSFET始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，且由于其RDSON低，其寄生二極管也不會導(dǎo)通。因此，最終在直接驅(qū)動配置中不會出現(xiàn)與Qrr相關(guān)的功率損耗。

在共源共柵配置中，由于GaN漏源電容高（Cds）［2，3］，處于關(guān)斷模式的GaN和MOSFET之間的電壓分布會導(dǎo)致MOSFET雪崩?？稍贛OSFET的漏端和漏端之間并聯(lián)一個電容器［4］予以解決。但這僅適用于軟開關(guān)應(yīng)用，并在硬開關(guān)應(yīng)用中導(dǎo)致高功率損耗。

鑒于GaN柵極已連至MOSFET的漏端，因此無法控制共源共柵驅(qū)動中的開關(guān)壓擺率。在硬開關(guān)操作中，來自GaN Cgs、MOSFET Coss、MOSFET Qrr的有效Coss的增加，以及由于防止MOSFET崩潰而可能產(chǎn)生的一些電流導(dǎo)通，可能會在初始充電期間導(dǎo)致較高的漏端電流。較高的漏端電流會導(dǎo)致共源共柵驅(qū)動中的較高功率損耗。

在MOSFET的漏端充電至足以關(guān)閉GaN器件的程度后，從漏端觀察到Coss突然下降——加上流經(jīng)功率環(huán)路電感的漏端電流較高——導(dǎo)致共源共柵中開關(guān)節(jié)點的過度振鈴組態(tài)。硬開關(guān)事件期間的開關(guān)波形如圖2所示（橙色軌線=共源共柵驅(qū)動；藍色跡線=直接驅(qū)動）。在此模擬中，即使直接驅(qū)動配置的壓擺率較低且振鈴較少（直接驅(qū)動在50 V/ns時為4.2 W，而共源共柵驅(qū)動在150 V/ns時為4.6 W，所有負載電流均為5A），直接驅(qū)動配置每次硬開關(guān)耗散的能量卻更少。

另一方面，直接驅(qū)動配置在開關(guān)操作期間直接驅(qū)動GaN器件的柵極。無偏置電源時，MOSFET柵極被拉至接地，并以與共源共柵配置相同的方式關(guān)閉GaN器件。一旦存在偏置電源，MOSFET保持導(dǎo)通狀態(tài)，其寄生電容和體二極管從電路中移出。直接驅(qū)動GaN柵極的優(yōu)點在于可通過設(shè)置對GaN柵極充電的電流來控制壓擺率。

對于升壓轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動電路的簡易模型如圖3所示?？墒褂迷撃Ｐ屯茖?dǎo)公式［1］。

等式1證明：當(dāng)GaN器件具有足夠的柵漏電容（Cgd）時，可通過使用柵極電流通過米勒反饋來控制開關(guān)事件的壓擺率。對于低Cgd器件，將丟失反饋，且器件的跨導(dǎo)（gm）控制壓擺率。 直接驅(qū)動配置的另一個優(yōu)點在于可在柵極環(huán)路中增加阻抗，以抑制其寄生諧振。抑制柵極環(huán)路還可減少電源環(huán)路中的振鈴。這降低了GaN器件上的電壓應(yīng)力，并減少了硬開關(guān)期間的電磁干擾（EMI）問題。

圖2是一個模擬圖，顯示以功率和柵極環(huán)路寄生電感為模型的降壓轉(zhuǎn)換器中開關(guān)節(jié)點振鈴的差異。直接驅(qū)動配置具有受控的導(dǎo)通，且過沖很少。而共源共柵驅(qū)動由于較高的初始Coss、Qrr和較低的柵極環(huán)路阻抗而具有較大的振鈴和硬開關(guān)損耗。

集成柵極驅(qū)動的75mΩGaN器件

TI的LMG341x系列600V GaN器件是業(yè)界首個集成GaN FET外加驅(qū)動器和保護功能的器件。它是一個8mm x 8mm四方扁平無引線（QFN）多芯片模塊（MCM），包括一個GaN FET和具有集成20V串聯(lián)FET的驅(qū)動。RDSON 的總電阻為75mΩ。

該器件的框圖如圖4所示。柵極驅(qū)動器提供GaN FET的直接驅(qū)動能力，并具有內(nèi)置的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，以產(chǎn)生關(guān)閉GaN FET所需的負電壓。柵極驅(qū)動使用12V單電源供電，并具有一個內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器（LDO），可產(chǎn)生一個5V電源，為驅(qū)動和其他控制電路供電。內(nèi)部欠壓鎖定（UVLO）電路使安全FET保持關(guān)閉狀態(tài)，直至輸入電壓超過9.5V。一旦UVLO超過其自身閾值，降壓/升壓轉(zhuǎn)換器就會接通并對負電源軌（VNEG）充電。一旦VNEG電源電壓超過其自身的UVLO，驅(qū)動器便會啟用驅(qū)動。

與分立的GaN和驅(qū)動器相比，LMG341x系列的集成直接驅(qū)動實現(xiàn)具有諸多優(yōu)勢。柵極驅(qū)動的一個重要方面是在硬開關(guān)事件期間控制壓擺率。LMG341x系列使用可編程電流源來驅(qū)動GaN柵極。

圖4：單通道600 V，76ΩGaN FET功率級的框圖。

電流源來驅(qū)動GaN柵極。電流源提供阻抗以抑制柵極環(huán)路，并允許用戶以受控的方式對轉(zhuǎn)換率進行編程，轉(zhuǎn)換率從30 V/ns到100 V/ns，以解決電路板寄生和EMI問題。

通過將串聯(lián)FET集成到驅(qū)動集成電路（IC）中，感測FET和電流感測電路可為GaN FET提供過流保護。這是增強整體系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵功能。使用增強型GaN器件時，這種電流檢測方案無法實現(xiàn)。當(dāng)大于40 A的電流流經(jīng)GaN FET時，電流保護電路會跳閘。GaN FET在發(fā)生過流事件后的60 ns內(nèi)關(guān)閉，從而防止裸片過熱。

通過將驅(qū)動芯片封裝在與GaN FET相同的裸片附著墊（DAP）上，驅(qū)動芯片處的引線框架可感測GaN器件的溫度。驅(qū)動可通過在過熱事件期間禁用GaN驅(qū)動來保護器件。集成的GaN器件還提供FAULT輸出，通知控制器由于故障事件而停止了開關(guān)。 為使用直接驅(qū)動方法驗證操作，我們建立了一個半橋板，并將其配置為降壓轉(zhuǎn)換器（圖5）。此外，我們使用了ISO7831 雙向電平位移器來饋送高側(cè)驅(qū)動信號，并返回經(jīng)過電平位移的FAULT信號。

圖6中，GaN半橋配置從480V總線、以1.5A的轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換為100V/ns。藍色跡線是開關(guān)節(jié)點波形，紫色跡線是電感器電流。

圖 5：典型的半橋配置。

硬開關(guān)導(dǎo)通穩(wěn)定，具有約50 V的過沖。此波形使用1 Ghz示波器和探頭進行采集，可觀察到任何高頻振鈴?？焖俚膶?dǎo)通時間，外加減小的寄生電容和缺反向恢復(fù)電荷，使得基于GaN的半橋配置即使在使用硬開關(guān)轉(zhuǎn)換器時也可高效開關(guān)。

圖 6：降壓開關(guān)波形示例。

總結(jié)

GaN在減小寄生電容和無反向恢復(fù)方面所提供的優(yōu)勢為使用硬開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)同時保持高效率提供了可能。需要受控的高開關(guān)壓擺率來更大程度地發(fā)揮GaN的優(yōu)勢，而這又需要優(yōu)化的共封裝驅(qū)動器和精心的電路板布局技術(shù)。 共封裝驅(qū)動有助于更大程度地減少柵極環(huán)路寄生效應(yīng)，以減少柵極振鈴。

利用精心布置的印刷電路板（PCB），優(yōu)化的驅(qū)動器可使設(shè)計人員以更小的振鈴和EMI來控制開關(guān)事件的轉(zhuǎn)換速率。這得益于GaN器件的直接驅(qū)動配置而非級聯(lián)驅(qū)動配置。

LMG341x系列器件使設(shè)計人員能夠以30 V/ns至100 V/ns的壓擺率控制各類器件的開關(guān)。此外，驅(qū)動器還提供過流、過熱和欠壓保護。

參考文獻

1. B.J. Baliga， “Power Semiconductor Device Figure-of-Merit for High Frequency Applications，” IEEE Electron Device Letters， vol. 10， pp. 455-457， 1989.

2. M. Seeman et al.， “Advantages of GaN in a High-Voltage Resonant LLC Converter，” IEEE APEC， pp. 476-483， March 2014.

3. S. Bahl et al.， “New Electrical Overstress and Energy Loss Mechanism in GaN Cascodes，” APEC 2015.

4. X. Huang et al.， “Characterization and Enhancement of 600V Cascode GaN Device，” Virginia Tech 2015 CPES Industry Webinar， March 11， 2015.

5. Download these data sheets： LMG3410R050. LMG3410R070 and LMG3411R070