氮化鎵（GaN）寬帶隙技術(shù)的電源應(yīng)用設(shè)計

隨著世界希望電氣化有助于有效利用能源并轉(zhuǎn)向可再生能源，氮化鎵（GaN）等寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)的時機已經(jīng)成熟。傳統(tǒng)硅MOSFET和IGBT的性能現(xiàn)在接近材料的理論極限，進一步發(fā)展只是以緩慢和高成本實現(xiàn)微小的改進。GaN晶體管可以顯著和即時地提高功率轉(zhuǎn)換效率，并且可以提供額外的優(yōu)勢，包括更小的尺寸和更高的可靠性。

因此，這些器件滲透到電源適配器和壁式充電器、電動汽車充電系統(tǒng)、工業(yè)和醫(yī)療電源以及電機驅(qū)動器等重要應(yīng)用的新設(shè)計中。隨著新一代設(shè)備以更纖薄的外形進入市場，最終用戶將體驗到這場革命，這些設(shè)備比其前代產(chǎn)品更易于攜帶和運行溫度更低。GaN技術(shù)在D類音頻放大器中也具有優(yōu)勢，包括更長的電池運行時間，便攜式和移動應(yīng)用中的更小尺寸，以及提供卓越音頻質(zhì)量的潛力。

GaN晶體管的幾個重要優(yōu)點源于其通常比硅等效物更低的寄生效應(yīng)。特別是柵極-源極和柵極-漏極電容值較低（C 一般事務(wù)人員 ， C 廣東 ） 轉(zhuǎn)化為開關(guān)期間更低的能量損失。圖1比較了使用硅和GaN技術(shù)實現(xiàn)的48 V至3.3 V降壓轉(zhuǎn)換器的效率，顯示了GaN的顯著效率優(yōu)勢，在更高的輸出電流下，GaN的效率優(yōu)勢會變得更大。

* 圖1. 降壓轉(zhuǎn)換器中GaN和硅技術(shù)之間的效率比較。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

此外，電容的更快充電和放電可縮短延遲和轉(zhuǎn)換時間，使工程師能夠設(shè)計開關(guān)頻率進入MHz范圍的應(yīng)用。這允許使用更小的存儲無源器件，直接影響提高功率密度。在D類放大器中，高開關(guān)頻率可提高音頻保真度。此外，低值的CGS增強了要求低占空比的應(yīng)用（例如具有高降壓比的降壓穩(wěn)壓器）中的開關(guān)控制。

釋放氮化鎵優(yōu)勢

沒有控制，功率就一無是處，該原理適用于驅(qū)動開關(guān)電路中的GaN晶體管。柵極驅(qū)動器的作用對于最大限度地提高GaN晶體管的效率優(yōu)勢，同時保護器件結(jié)構(gòu)以確?？煽啃灾陵P(guān)重要。

MinDCet創(chuàng)建了MDC901驅(qū)動器IC，其功能專門設(shè)計用于確保安全，快速和高效的GaN開關(guān)，以最大限度地提高性能和節(jié)能，利用生產(chǎn)高性能，高可靠性ASIC和系統(tǒng)的經(jīng)驗，用于苛刻的應(yīng)用，包括抗輻射空間就緒組件。圖2突出顯示了MDC901柵極控制器所需的PCB面積比同類柵極驅(qū)動器解決方案所需的外部元件小五倍。

* 圖2. MDC901柵極控制器使用的PCB面積比同等競爭柵極驅(qū)動器解決方案所需的外部元件小五倍。圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

過充保護

GaN晶體管中的柵極氧化物相對脆弱，可能會因電壓過高而損壞。柵極環(huán)路中的寄生電感行為、開關(guān)過程中晶體管電容的充電/放電以及信號線上出現(xiàn)的感應(yīng)電壓都是可能使低側(cè)晶體管暴露于潛在破壞性過高柵源電壓（V 一般事務(wù)人員 ).

有多種方法可以保護柵極免受過壓影響。一是增加外部箝位電路。然而，這往往會增加功耗和電路尺寸。PCB寄生效應(yīng)也限制了其有效性?；蛘?，可以在GaN晶體管中內(nèi)置保護，但代價是器件復(fù)雜性和成本增加。MinDCet的MDC901半橋柵極驅(qū)動器通過為高端和低端驅(qū)動器電路集成真正的浮動電壓線性（LDO）穩(wěn)壓器來保護GaN柵極。這些LDO將電壓嚴(yán)格調(diào)節(jié)在可編程為5 V或6 V的水平上，因此，該驅(qū)動器可有效防止過壓，同時允許設(shè)計人員在沒有內(nèi)部保護的情況下更廣泛地選擇GaN晶體管。

死區(qū)時間控制

為了實現(xiàn)GaN技術(shù)在功率轉(zhuǎn)換中所能提供的全部效率增益，設(shè)計人員需要了解寄生電容的行為以及當(dāng)VGS = 0 V時允許晶體管反向傳導(dǎo)的物理場。相比之下，普通的硅MOSFET具有傳導(dǎo)續(xù)流電流的本征體二極管;GaN晶體管沒有體二極管。當(dāng)反向偏置時，VGS = 0 V時，器件自換向，因此續(xù)流電流通過晶體管漏源通道。這有幾個優(yōu)點，包括消除與體二極管反向恢復(fù)相關(guān)的損耗和二極管導(dǎo)通期間產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲。

另一方面，晶體管兩端的壓降大于硅MOSFET體二極管兩端的相應(yīng)電壓。在半橋中，由于這種壓降引起的損耗是在晶體管死區(qū)時間內(nèi)產(chǎn)生的。因此，較短的死區(qū)時間有助于最大限度地減少這些損失并提高效率。另一方面，由于漏源電容通過互補晶體管放電，死區(qū)時間不足會產(chǎn)生損耗。

實際上，理想的死區(qū)時間取決于應(yīng)用。因此，死區(qū)時間控制是合適的GaN驅(qū)動器的理想特性，可幫助設(shè)計人員優(yōu)化性能和效率。此外，控制還可確保死區(qū)時間在應(yīng)用的生命周期內(nèi)是已知的和恒定的。

MDC901提供數(shù)字輸入，允許設(shè)置半橋操作的導(dǎo)通和關(guān)斷階段的死區(qū)時間。如果需要，駕駛員還可以自動設(shè)置死區(qū)時間。GaN柵極電壓的閉環(huán)檢測通過確保高端或低端晶體管僅在互補器件關(guān)閉時導(dǎo)通，從而提供故障保護。

輸出驅(qū)動強度

GaN技術(shù)的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于它能夠在關(guān)斷和導(dǎo)通狀態(tài)之間快速轉(zhuǎn)換，從而最大限度地減少耗散。實現(xiàn)較短的開關(guān)轉(zhuǎn)換時間取決于提供足夠的柵極電流。MDC901的最大柵極驅(qū)動強度為10 A，即使在多個GaN晶體管并聯(lián)的情況下，也能確?？焖匍_關(guān)轉(zhuǎn)換。

雖然快速切換通常是優(yōu)先事項，但必須注意調(diào)節(jié)速度以避免振鈴。這通常使用根據(jù)柵極電路電感和晶體管柵極電容選擇的電阻來實現(xiàn)。驅(qū)動器通常集成這些電阻，以便于控制導(dǎo)通/關(guān)斷電流。

MDC901采用不同的方法，強調(diào)使用外部電阻，將功耗移到驅(qū)動器IC之外，從而簡化熱管理并增強可靠性。驅(qū)動器提供獨立的上拉和下拉輸出，用于柵極驅(qū)動調(diào)諧。此外，該驅(qū)動器設(shè)計為在輸出電壓低至-4 V的情況下工作，以確保當(dāng)電壓擺幅低于電源地時正確工作，這可能導(dǎo)致源極電感和負載條件的組合。

高占空比

氮化鎵晶體管快速開關(guān)能力的另一個重要優(yōu)勢是它們能夠在低占空比下高效運行。在具有大降壓比的電源轉(zhuǎn)換等應(yīng)用中也是如此。GaN可以在負載點（POL）將48 V總線直接轉(zhuǎn)換為1 V，效率高，無需中間級。這樣可以節(jié)省物料清單，減小電路尺寸，并消除中間轉(zhuǎn)換損耗。在相同開關(guān)頻率下，與等效的硅MOSFET技術(shù)相比，GaN晶體管能夠通過執(zhí)行快速轉(zhuǎn)換來最小化開關(guān)損耗，可將整體轉(zhuǎn)換效率提高10-15%。

相反，GaN的快速開關(guān)能力使該技術(shù)適用于需要極高占空比的應(yīng)用。其中包括D類放大器和電機驅(qū)動器，特別是在高轉(zhuǎn)速下工作時。當(dāng)以持續(xù)的高占空比工作時，由于漏效應(yīng)和系統(tǒng)中的其他負載偏置，自舉電壓以及施加到GaN晶體管柵極的電壓可能會降低。為了解決這個問題，MDC901驅(qū)動器集成了一個電荷泵，以維持必要的柵極驅(qū)動偏置。這使得工作頻率高達100%的占空比，從而允許高端開關(guān)長時間保持開啟。MDC901還集成了自舉二極管，有助于確保足夠的柵極驅(qū)動強度。

圖3顯示了驅(qū)動器的內(nèi)部特性，包括電荷泵、死區(qū)時間發(fā)生器和浮動穩(wěn)壓器。還集成了基本的系統(tǒng)安全功能，包括管芯溫度監(jiān)控、柵極信號輸出監(jiān)控和柵極欠壓鎖定（UVLO）。

* 圖3. MDC901氮化鎵柵極驅(qū)動器IC框圖圖片由 Bodo 的動力系統(tǒng)提供 [PDF]*

為了加速開發(fā)，MinDCet創(chuàng)建了三個半橋評估板。MDC901-EVKHB、MDC901-15I-EVKHB和MDC901-2E-EVKHB分別將MDC901驅(qū)動器與GaN Systems的100V GS61008P GaN HEMT、Innoscience的150V INN150LA070A FET和EPC2215 200V eGaN FET組合在降壓轉(zhuǎn)換器拓撲中。第四款采用Nexperia的150V GAN7R0-150LBE氮化鎵FET的半橋評估板MDC901-15NEVKHB正在開發(fā)中，即將上市。每塊板的尺寸為 80mm x 90mm，開箱即用，提供可用于測試的緊湊型解決方案。

氮化鎵柵極控制結(jié)論

GaN晶體管可以直接進入已建立的功率轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)，并具有優(yōu)勢，包括更高的能效、更高的功率密度、更緊湊的產(chǎn)品尺寸、更低的工作溫度、更輕松的熱管理以及更高的可靠性。

最大化這些優(yōu)勢需要一些重新設(shè)計，特別是在控制晶體管方面。理想的柵極驅(qū)動器特性包括用于并行控制多個GaN器件的大吸電流能力、可配置的死區(qū)時間以及柵極過充電保護。MDC901具有附加功能，包括用于需要高占空比的應(yīng)用的集成電荷泵和內(nèi)置系統(tǒng)保護功能，可滿足醫(yī)療、工業(yè)、消費和汽車市場中要求苛刻的節(jié)能應(yīng)用。