集成柵極驅(qū)動(dòng)器的GaN ePower超快開關(guān)

氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管在許多電力電子應(yīng)用中持續(xù)獲得關(guān)注，但氮化鎵技術(shù)仍處于其生命周期的早期階段【1】。雖然基本FET性能品質(zhì)因數(shù)還有很大的提升空間，但GaN功率ic的發(fā)展是一條更有前途的道路。

現(xiàn)代GaN-on-silicon器件的橫向FET結(jié)構(gòu)有助于功率器件和信號(hào)器件的單片集成，集成GaN功率ic開始在商業(yè)上出現(xiàn)【2】、【3】。這種集成有望降低尺寸和成本，同時(shí)提高可靠性和性能。

本文舉例說(shuō)明了集成FET和柵極驅(qū)動(dòng)器IC的優(yōu)勢(shì)。該IC主要用作間接飛行時(shí)間應(yīng)用的激光驅(qū)動(dòng)器，能夠從40 V總線驅(qū)動(dòng)10 A脈沖電流。該IC的輸出上升和下降時(shí)間低于600 ps，開關(guān)10 A時(shí)，輸出RDS（on）約為50mω。并且能夠以超過(guò)100 MHz的頻率切換。該IC屬于可支持不同電源和邏輯系列輸入的器件系列。該系列所有現(xiàn)有產(chǎn)品均采用相同的2×3 BGA芯片級(jí)封裝（見(jiàn)圖1），尺寸為1 mm × 1.5 mm。這種封裝具有出色的熱性能和極低的電感。

圖EPC21601全集成GaN電源開關(guān)的IC照片（a）和框圖（b）。

激光驅(qū)動(dòng)器要求

激光雷達(dá)的激光驅(qū)動(dòng)器是脈沖功率應(yīng)用。圖2顯示了一個(gè)簡(jiǎn)化的激光驅(qū)動(dòng)器。最初，開關(guān)Q1斷開，C1充電至輸入電壓VIN。命令信號(hào)command使開關(guān)Q1通過(guò)激光二極管D1對(duì)C1全部或部分放電。電感L1代表C1D1Q1環(huán)路的雜散電感?，F(xiàn)代激光雷達(dá)系統(tǒng)要求高電流和短轉(zhuǎn)換的窄脈沖。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)越快，分辨率越好；電流越大，射程越遠(yuǎn)。根據(jù)激光雷達(dá)系統(tǒng)的不同，脈沖的寬度范圍可以從1納秒到100納秒，從1安到100多安。

圖2:激光驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)化示意圖

當(dāng)今激光雷達(dá)行業(yè)主要有兩種形式:直接飛行時(shí)間法（DTOF）和間接飛行時(shí)間法（ITOF）【4】。典型的DTOF激光雷達(dá)發(fā)送單個(gè)脈沖并對(duì)反射進(jìn)行計(jì)時(shí)，以計(jì)算到目標(biāo)的距離。ITOF激光雷達(dá)通過(guò)比較發(fā)射和反射脈沖序列的相位來(lái)工作。由于能夠使用簡(jiǎn)化的接收器并因此實(shí)現(xiàn)更低的成本，ITOF激光雷達(dá)最近顯示出巨大的增長(zhǎng)。成像芯片是基于低成本CMOS相機(jī)成像技術(shù)開發(fā)的，該技術(shù)讓成像芯片為每個(gè)像素提供距離信息。這又允許一次捕獲整個(gè)幀的距離信息。這些有時(shí)被稱為“閃光激光雷達(dá)”，因?yàn)樗鼈兪褂眉す庾鳛殚W光燈照亮場(chǎng)景。雖然硅激光驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)完成了初步設(shè)計(jì)，但由于激光脈沖微弱且形狀不佳，這些驅(qū)動(dòng)器的射程較短，圖像質(zhì)量較差，幀速率較低。GaN FETs在這些設(shè)計(jì)中已被證明是有效的，它能夠以經(jīng)濟(jì)高效的方式實(shí)現(xiàn)更高的電流和更快的脈沖以及更銳利的邊沿。

便攜式激光雷達(dá)系統(tǒng)的典型ITOF規(guī)格

ITOF激光雷達(dá)的大部分增長(zhǎng)都是在中程范圍內(nèi)，從不到1米到幾十米。這些系統(tǒng)從單點(diǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)到百萬(wàn)像素TOF相機(jī)不等，但由于能夠在一個(gè)探測(cè)周期內(nèi)捕獲寬視野，因此趨勢(shì)傾向于多點(diǎn)和成像系統(tǒng)。這種趨勢(shì)有利于一次照亮整個(gè)場(chǎng)景的光源，這是垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）的天然選擇。

單個(gè)VCSEL非常小，但由于它們從芯片表面發(fā)射，因此許多VCSEL可以集成在單個(gè)芯片上以增加光輸出。對(duì)于小型便攜式系統(tǒng)，典型的脈沖電流要求范圍為2-10 A .雖然單個(gè)VCSEL在低電流下的壓降很小，但在較高電流下，等效串聯(lián)電阻可能會(huì)導(dǎo)致顯著的壓降。VCSELs的串聯(lián)會(huì)進(jìn)一步增加電壓降。由于增加了電感，通常用于連接VCSEL的絲焊會(huì)產(chǎn)生額外的壓降。如今，VCSEL的壓降范圍可以從3 V到30 V，許多應(yīng)用需要≥ 10 V .在突發(fā)模式下工作時(shí)，脈沖頻率可以從幾MHz到100 MHz以上。

圖3: ITOF操作概述圖。

由于ITOF成像儀使用相位差檢測(cè)，波形的形狀很重要。矩形脈沖的使用大大簡(jiǎn)化了相位檢測(cè)，并具有使用開關(guān)作為調(diào)制器的額外好處。這簡(jiǎn)化了激光驅(qū)動(dòng)器，并大大降低了系統(tǒng)總功率要求?？偠灾?，用于ITOF激光雷達(dá)系統(tǒng)的激光驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該能夠從高達(dá)30V的總線產(chǎn)生2至10 A脈沖，開關(guān)頻率可能≥ 100 MHz，最小脈沖寬度為2 ns或更小。這是一個(gè)廣泛的規(guī)格范圍，通常的方法是為每個(gè)應(yīng)用定制基于GaN的激光驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。對(duì)于硅基激光驅(qū)動(dòng)器，這種設(shè)計(jì)空間的很大一部分完全遙不可及。

整合的好處

具有所需額定電流和電壓的現(xiàn)代eGaN功率fet的上升和下降時(shí)間小于1 ns，因此可以輕松滿足上述要求。事實(shí)上，單個(gè)0.81 mm2 eGaN FET（如通過(guò)汽車認(rèn)證的EPC2203）可以滿足上述整個(gè)設(shè)計(jì)空間。然而，這種fet的驅(qū)動(dòng)要求與產(chǎn)生發(fā)射脈沖的數(shù)字子系統(tǒng)的輸出不直接兼容，因?yàn)檫@些輸出往往是3.3 V或更低的低電壓邏輯，并且具有低驅(qū)動(dòng)電流能力。因此，需要一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)來(lái)將數(shù)字信號(hào)與FET接口。這是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楹苌儆袞艠O驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá)100 MHz及以上的eGaN FETs，同時(shí)保持快速上升和下降時(shí)間。少數(shù)具有所需驅(qū)動(dòng)能力的驅(qū)動(dòng)器消耗了不可接受的功率水平。此外，柵極驅(qū)動(dòng)器和FET之間的物理距離會(huì)增加?xùn)艠O環(huán)路的電感，從而進(jìn)一步降低性能。最后，柵極驅(qū)動(dòng)器占用空間（比FET更大），增加成本并降低可靠性。GaN技術(shù)實(shí)現(xiàn)了柵極驅(qū)動(dòng)與主FET的集成，從而提高了性能、減少了器件數(shù)量并獲得了所有附帶優(yōu)勢(shì)。

表演

高效電源轉(zhuǎn)換開發(fā)了一系列單芯片GaN IC激光驅(qū)動(dòng)器，如圖1所示。主要版本的主要初步規(guī)格如表1所示。

表I:25°c時(shí)EPC21601激光驅(qū)動(dòng)器的主要規(guī)格。

該ic系列有三個(gè)成員:（1）2.5 V邏輯輸入，向IC提供5V電源；（2）5V邏輯輸入和12 V電源；以及（3）低壓差分信號(hào)（LVDS）輸入，使其能夠在高噪聲數(shù)字環(huán)境中直接由高速數(shù)字IC驅(qū)動(dòng)。所有三種型號(hào)均采用相同的2×3 BGA芯片級(jí)封裝，尺寸為1 mm × 1.5 mm，僅需要一個(gè)旁路電容。

圖4顯示了驅(qū)動(dòng)2ω低電感負(fù)載代替激光器的一些典型波形。電源電壓為20 V時(shí)，產(chǎn)生的電流脈沖幅度為10 A .圖（4a）顯示了單個(gè)脈沖。漏極電壓vdrain下降時(shí)間t f測(cè)量導(dǎo)通時(shí)間，tr測(cè)量關(guān)斷時(shí)間。在最大額定電流下，tf = 602 ps，tr = 306 ps。激光雷達(dá)發(fā)射器通常使用突發(fā)模式，原因之一是需要防止激光器過(guò)熱。圖（4b）顯示了10個(gè)周期的100 MHz突發(fā)脈沖。IC可以在100 MHz和10A下連續(xù)工作，但突發(fā)模式工作是為了防止負(fù)載功耗過(guò)熱。

圖4:單脈沖波形（a）和100 MHz突發(fā)波形（b）。兩種情況都使用2.5 V邏輯電平輸入和20V電源，負(fù)載為2ω。黃色軌跡為輸入（1 V/div），紅色軌跡為漏極電壓（5 V/div或2.5 A/div）

圖5顯示了驅(qū)動(dòng)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的一些典型波形。圖（5a）顯示了單個(gè)脈沖，圖（5b）顯示了10個(gè)周期的100 MHz突發(fā)脈沖。VCSEL封裝包括一根焊線，會(huì)增加相當(dāng)大的電感，導(dǎo)致漏極波形振鈴和較慢的光輸出上升時(shí)間。請(qǐng)注意，該電感和10 V轉(zhuǎn)換導(dǎo)致的較高阻抗導(dǎo)致導(dǎo)通時(shí)間（下降時(shí)間tf）小于300 ps。

圖5:驅(qū)動(dòng)垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的波形。單脈沖波形（a）和100 MHz突發(fā)波形（b）。兩種情況都使用2.5 V邏輯電平輸入和10V電源，VCSEL負(fù)載。黃色軌跡為輸入（1 V/div），紅色軌跡為漏極電壓（5 V/div），藍(lán)色軌跡為光接收器輸出（5 mV/div）。

下一步是什么？

這種新開發(fā)的集成電路還有其他幾種潛在的應(yīng)用。一種更傳統(tǒng)的電力電子應(yīng)用是一種微型升壓轉(zhuǎn)換器，用于只有5 V電源且需要額外更高電壓的電路。事實(shí)上，這種轉(zhuǎn)換器對(duì)于開發(fā)激光雷達(dá)應(yīng)用中的激光驅(qū)動(dòng)器總線電壓非常有用。另一個(gè)潛在應(yīng)用是小型E類或EFn逆變器【5】、【6】，或用于微型無(wú)線電源的轉(zhuǎn)換器。有許多可能性，有了能夠100 MHz切換的40 V、10 A邏輯控制電源開關(guān)，新應(yīng)用和創(chuàng)意的大門就敞開了。

關(guān)于作者

約翰·格拉澤擁有亞利桑那大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程博士和碩士學(xué)位以及伊利諾伊大學(xué)香檳分校電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)士學(xué)位。在他的職業(yè)生涯中，他獲得了11項(xiàng)專利和2項(xiàng)出版物，專業(yè)領(lǐng)域包括高頻功率轉(zhuǎn)換、甚高頻功率、寬帶隙（WBG）氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）功率半導(dǎo)體應(yīng)用、高密度功率轉(zhuǎn)換、功率RF電路和應(yīng)用。自2014年6月以來(lái)，他目前在EPC擔(dān)任應(yīng)用工程總監(jiān)。

參考

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高效電源轉(zhuǎn)換公司，“EPC2152數(shù)據(jù)表，版本1.3”2020年7月20日，訪問(wèn)時(shí)間:2020年10月3日。【在線】?？捎?https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/ EPC 2152 _數(shù)據(jù)表。pdf

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審核編輯 黃宇