基于GaN器件的驅(qū)動設(shè)計方案

氮化鎵（GaN）器件具有類似硅的電性能，可以由硅MOSFET設(shè)計中使用的許多現(xiàn)成的驅(qū)動產(chǎn)品驅(qū)動。

GaN具有低RDSon/VDSon、高電子遷移率和其他特性，從而實現(xiàn)更高效的設(shè)計。更高的開關(guān)頻率允許設(shè)計師在效率和開關(guān)速度之間進行權(quán)衡，以實現(xiàn)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計。這些特性使解決方案更高效，運行更冷，體積更小四倍，成本比同等的基于Si的設(shè)計低10%-20%（圖1）。

GaN的最佳應(yīng)用是工作電壓在48 V到600 V之間的應(yīng)用，這使得它非常適合提供更緊湊、更冷的運行和更經(jīng)濟高效的硅基MOSFET替代品。

圖1：氮化鎵晶體管可以實現(xiàn)更高效、更冷的運行、緊湊和成本效率更高的設(shè)計

驅(qū)動要求

GaN的電學(xué)特性不同于硅器件。為了確保在低電壓下啟動整流器時，柵極和柵極的阻抗都很低，所以在低電壓下啟動整流器時必須小心。

矛盾的是，這些器件的開關(guān)速度可能太快，這可能會導(dǎo)致振鈴，并將不需要的高頻注入到它們所驅(qū)動的電路中。它們的高dV/dt可以通過在“硬”切換轉(zhuǎn)換期間創(chuàng)建直通來降低效率。幸運的是，這是可以控制的。業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出幾種方法來“規(guī)范化”GaN器件驅(qū)動特性：

增強模式柵極注入晶體管（GIT）：在GaN-GIT上添加一個p摻雜柵極，使其起到常閉器件的作用（圖2）。這允許精確控制開/關(guān)開關(guān)速度，并可并聯(lián)連接，以支持更高電流的應(yīng)用。在消極方面，它們需要一個特殊的驅(qū)動電路，具有非常高的柵極電流要求，這會降低效率。

圖2：增強模式GIT

共源共柵GaN：這種方法通過將一個自然“關(guān)閉”的低電壓、低RDSon硅MOSFET與耗盡型GaN HEMT晶體管（圖3）串聯(lián)在一起，來創(chuàng)建一個疊層共源共柵。這種復(fù)合器件可以由用于硅功率器件的相同柵極驅(qū)動器驅(qū)動，但有缺點。例如，性能受到硅MOSFET反向恢復(fù)和雪崩特性的限制，無法調(diào)整其開關(guān)速度。配置為并聯(lián)運行可能很困難，需要外部噪聲阻尼，通常是鐵氧體磁珠。

圖3：GaN晶體管與共源共柵結(jié)構(gòu)的硅MOSFET共封裝

帶共封裝驅(qū)動器的耗盡模式器件：幾家公司通過將耗盡模式GaN器件與定制硅驅(qū)動器共封裝，使其更易于使用，該驅(qū)動器允許器件模擬傳統(tǒng)硅功率MOSFET的特性。這使得在封裝中集成過流和過溫保護成為可能，節(jié)省了空間和成本。但優(yōu)勢是以犧牲設(shè)計靈活性為代價的，因為驅(qū)動器值無法針對特定應(yīng)用進行優(yōu)化。此外，外部驅(qū)動器只允許調(diào)整開關(guān)的開啟時間，使并聯(lián)變得困難。

單片GaN+集成驅(qū)動器：這種方法將GaN功率器件和配套驅(qū)動電路集成在同一基板上。片上驅(qū)動器可以設(shè)計為向功率晶體管的柵極提供接近理想的信號電平，同時提供一個“硅友好”接口，該接口可與大多數(shù)MOSFET驅(qū)動器器件一起工作，并減少內(nèi)部寄生。雖然這簡化了設(shè)計，但它需要外部無源組件來實現(xiàn)功能解決方案。芯片驅(qū)動簡單，沒有OTP/OCP或其他保護電路。和具有共同封裝驅(qū)動器的器件一樣，只有它們的開啟上升時間可以控制，并且很難配置為并行操作。

增強模式（E-mode ）GaN

E-mode GaN解決了與早期GaN基功率器件相關(guān)的許多問題。該方法基于HEMT結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形成一個電壓驅(qū)動且常關(guān)的固有E-mode 器件。

分立E-mode GaN功率器件的電氣特性類似于設(shè)計人員熟悉的硅MOSFET，包括：

?與許多硅MOSFET驅(qū)動器兼容。

?設(shè)計靈活性可與分立硅MOSFET媲美。

?通過調(diào)整柵極電阻（RG）可以優(yōu)化轉(zhuǎn)換速率（開和關(guān)）。

?易于并行操作的配置。

?類硅特性，允許使用通用技術(shù)設(shè)計和測試應(yīng)用。

這些是驅(qū)動GaN器件最常用的方法。由于GaN器件的行為與硅不完全相同，因此每種方法都必須加以考慮。

GaN Systems基于這些固有特性開發(fā)了先進的E-mode 產(chǎn)品，其器件結(jié)構(gòu)堅固，超過了AEC-Q101和JEDEC可靠性標(biāo)準(zhǔn)，并符合JC-70和FIT標(biāo)準(zhǔn)。諸如堅固的柵極結(jié)構(gòu)，可接受-20 V/+10 V的輸入范圍，可與單極（0 V/+6 V）和雙極驅(qū)動電平（-3 V/+6 V和-6 V/+6 V）一起工作，同時提供強大的操作裕度，使這些產(chǎn)品與許多商用驅(qū)動IC兼容，這些IC用于電橋中基于MOSFET的設(shè)計，電源轉(zhuǎn)換器和其他電源應(yīng)用。

盡管現(xiàn)代E-mode GaN器件的使用要簡單得多，但它們有幾個不同于硅器件的獨特特性：?

?QG低于同類硅器件，提供更低的驅(qū)動損耗和更快的開關(guān)速度。

?通常需要+5 V/+6 V柵極偏置才能開啟的功率晶體管具有更高的增益和更低的VGS。

?較低的柵極閾值電壓VG(th)，通常為1.5 V。

驅(qū)動E-mode GaN晶體管

看看E-mode GaN器件在選擇和微調(diào)用于實際應(yīng)用的柵極驅(qū)動電路方面的獨特特性的實際意義。E-mode GaN設(shè)備驅(qū)動程序的主要設(shè)計目標(biāo)：

?為開關(guān)提供正確的開啟/關(guān)閉波形以及所需的電壓（RDS(on)和IDS(max)是VGS的函數(shù)）。?

?通過以下方式最大化切換性能：

o為GaN FET提供可靠、干凈的開關(guān)波形。

o提供干凈的柵極源和匯電流（IGS）。.

?控制功率器件的轉(zhuǎn)換速率以降低EMC（GaN FET的di/dt，dv/dt可以通過改變RG 來控制）。

?實現(xiàn)精確的死區(qū)時間控制，將開關(guān)損耗降至最低。

?驅(qū)動電壓注意事項。

GaN Systems E-mode晶體管可以使用僅正極VGS驅(qū)動器運行，該驅(qū)動器可提供VGS(OFF) = 0 V/VGS(on) = 6 V，這使它們成為低壓或低功率應(yīng)用的理想選擇，或者在死區(qū)時間損耗最小化至關(guān)重要的場合。?

當(dāng)優(yōu)先考慮高抗噪性和降低開關(guān)損耗時，首選提供VGS(OFF)的驅(qū)動配置?？梢允褂脤ΨQ的+/-6 V或+6 V/-3 V驅(qū)動輸入。

利用負(fù)驅(qū)動電壓的影響進行系統(tǒng)權(quán)衡

應(yīng)用負(fù)VDR(OFF)可降低關(guān)閉E型GaN晶體管所需的能量，隨著工作電流的增加，這一點變得更加明顯。非負(fù)驅(qū)動信號可用于低功率應(yīng)用，而不會產(chǎn)生顯著的開關(guān)損耗，但在大電流應(yīng)用中，使用負(fù)VDR(OFF)關(guān)閉柵極變得至關(guān)重要。應(yīng)用負(fù)VDR(OFF)可以在更高功率下提高功率級的效率，但必須與精確的死區(qū)時間控制結(jié)合使用，以實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)效率。

GaN器件中死區(qū)時間損耗的管理

GaN HEMT沒有體二極管。該器件的反向傳導(dǎo)壓降與VGS(OFF)成比例增加。在死區(qū)時間內(nèi)，2DEG的行為就像一個二極管，VF = VTH(GD)+ VGS(OFF)+ ISD* RSD(ON)。

這些現(xiàn)象導(dǎo)致死區(qū)時間損失隨著VGS(OFF)的增加而增加。如果驅(qū)動信號的死區(qū)時間低于某個閾值，設(shè)備在部分開關(guān)時間內(nèi)不會處于零伏，開關(guān)電路電容器中的能量將在通道中消散。

隨著零電壓開關(guān)（ZVS）周期的縮短，器件的損耗急劇增加。因此，設(shè)計者必須推導(dǎo)出足夠長的死區(qū)時間來防止零電壓開關(guān)損耗，足夠短的死區(qū)時間來保持GaN器件的高效運行。

帶外部RG的開關(guān)速度控制

GaN器件的開關(guān)速度非?？欤漭敵霾ㄐ危╠v/dt）的急劇上升和下降邊緣會產(chǎn)生不必要的高振幅諧波，從而產(chǎn)生EMI問題。與MOSFET一樣，E-mode GaN晶體管的開關(guān)速度（on和off）可以通過調(diào)整與器件柵極（RG）串聯(lián)的電阻來控制。這項技術(shù)對系統(tǒng)EMC優(yōu)化很有價值。其他GaN實現(xiàn)，如集成驅(qū)動器和共源共柵配置，隔離了該柵極，從而將RG開關(guān)速度控制限制在循環(huán)的開啟部分，或使其不可能。

并聯(lián)的柵極驅(qū)動考慮因素

GaN Systems E-mode器件的并聯(lián)操作非常簡單，但必須通過添加分布式柵極電阻器（R3/R5=1-2Ω）和源極電阻器（R6/R7=1-2Ω）來防止并聯(lián)器件的柵極之間的相互作用或柵極振鈴。

這些指導(dǎo)原則在一個實驗中得到了驗證，其中四個GaN Systems GS6651T器件以并聯(lián)配置運行，四個并聯(lián)GS6651T在橋接電路的另一側(cè)以自由輪模式運行。

對于這些測試，柵極電阻設(shè)置為RG_ON=4.55 Ω, RG_OFF = 1.25 Ω。測試電路的電源電壓（VBUS）為400 V，柵極驅(qū)動輸入(VGS) = +6.8 V/-5 V。當(dāng)電路從空閑狀態(tài)硬切換到全額定電流測量驅(qū)動電流時，產(chǎn)生了干凈的波形(IDS_ON=231 A, IDS_OFF=240 A with ~200 V VDS margin)。

結(jié)論

E-mode GaN晶體管具有高效率和高性能，以及對硅友好的電氣特性，使得使用許多與基于MOSFET的設(shè)計相同的驅(qū)動器，可以很容易地將它們整合到各種應(yīng)用中。

審核編輯：湯梓紅