基于GaN器件的驱动设计方案_GaN驱动 - CSDN文库

基于GaN器件的驱动设计方案

480 浏览量更新于2023-05-25 评论 1 收藏 251KB PDF 举报

身份认证购VIP最低享 7 折!

领优惠券(最高得80元）

资源详情

资源评论

资源推荐

基于基于GaN器件的驱动设计方案器件的驱动设计方案

氮化镓(GaN)是接近理想的半导体开关的器件，能够以非常高的能效和高功率密度实现电源转换。但GaN器件在

某些方面不如旧的硅技术强固，因此需谨慎应用，集成正确的门极驱动对于实现性能和可靠性至关重要。本文

着眼于这些问题，给出一个驱动器方案，解决设计过程的风险。　　正文　　氮化镓(GaN)HEMT是电源转换

器的典范，其端到端能效高于当今的硅基方案，轻松超过服务器和云数据中心严格的80+规范或USB PD外部适

配器的欧盟行为准则Tier 2标准。虽然旧的硅基开关技术声称性能接近理想，可快速、低损耗开关，而GaN器件

更接近但不可直接替代。为了充分发挥该技术的潜在优势，外部驱动电路必须与GaN器件

　　氮化镓(GaN)是接近理想的半导体开关的器件，能够以非常高的能效和高功率密度实现电源转换。但GaN器件在某些方面

不如旧的硅技术强固，因此需谨慎应用，集成正确的门极驱动对于实现性能和可靠性至关重要。本文着眼于这些问题，给出一

个驱动器方案，解决设计过程的风险。

　　正文

　　氮化镓(GaN)HEMT是电源转换器的典范，其端到端能效高于当今的硅基方案，轻松超过服务器和云数据中心严格的

80+规范或USB PD外部适配器的欧盟行为准则Tier 2标准。虽然旧的硅基开关技术声称性能接近理想，可快速、低损耗开关，

而GaN器件更接近但不可直接替代。为了充分发挥该技术的潜在优势，外部驱动电路必须与GaN器件匹配，同时还要精心布

板。

　　对比GaN和硅开关

　　更高能效是增强型GaN较硅(Si)开关的主要潜在优势。不同于耗尽型GaN，增强型GaN通常是关断的器件，因此它需要一

个正门极驱动电压来导通。增强型GaN的更高能效源于较低的器件电容和GaN的反向(第三象限)导电能力，但反向恢复电荷为

零，这是用于硬开关应用的一个主要优点。低栅极源和栅极漏电容，产生低总栅电荷，支持门极驱动器快速门极开关和低损

耗。此外，低输出电容提供较低的关断损耗。可能影响实际GaN性能的其他差别是没有漏源/栅雪崩电压额定值和相对较低的

门极电压，Si MOSFET约+/-20V，而GaN通常只有+/-10V。另外，GaN的导通阈值(VGTH) 约1.5V，远低于Si MOSFET(约

3.5V)。如果外部驱动和负载电路能够可靠地控制源极和门极电压，开关频率可达数百kHz或MHz区域，从而保持高能效，进

而减小磁性器件和电容尺寸，提供高功率密度。

　　GaN门极驱动对性能至关重要

　　使门极驱动电压保持在限值内并不是的要求。对于快的开关，一个典型的GaN器件需要被驱动到约5.2V的VG(ON)值，这

样才能完全增强，而不需要额外的门极驱动功率。驱动功率PD由下式得出：

　　其中VSW为总门极电压摆幅，f为开关频率，QGTOT为总门极电荷。虽然GaN门极具有有效的电容特性，但在门极的有

效串联电阻和驱动器中功率被耗散。因此，使电压摆幅保持很重要，特别是在频率很高的情况下。通常，对于GaN来

说，QGTOT是几nC，约是类似的硅MOSFET值的十分之一-这也是GaN能够如此快速开关的原因之一。GaN器件是由电荷控

制的，因此对于纳秒开关具有纳米库仑门极电荷，峰值电流为放大器级，必须由驱动器提供，同时保持的电压。

　　理论上，GaN器件在VGS = 0安全关断，但在现实世界中，即使是的门极驱动器，直接施加到门极的电压也不可能是

0V。根据VOPP = -L di/dt (图1)，在门极驱动回路共有的源引线中的任何串联电感L都会对门极驱动器产生相反的电压

VOPP，这会导致高源di/dt的假开关。同样的影响可能是由关态dv/dt迫使电流流过器件的“Miller”电容造成的，但对于GaN，这

可忽略不计。一种解决方案是提供一个负门极关断电压，可能-2或-3V，但这使门极驱动电路复杂，为避免复杂，可通过谨慎

布板和使用以‘开尔文连接’和具有封装电感的器件如低高度、无铅PQFN型封装。

　

　　图1：源极和门极驱动共有的电感会引起电压瞬变高边门极驱动的挑战

　　GaN器件不一定适合于所有的拓扑结构，如大多数“单端”反激式和正激式没有反向导通，而且其高于硅MOSFET的额外成

本超过了任何小的能效优势。然而，“半桥”拓扑-如图腾柱无桥PFC、LLC转换器和有源钳位反激-将自然成为GaN的根据地，

无论是硬开关还是软开关。这些拓扑都有“高边”开关，其源是个开关节点，因此门极驱动被一个具有纳秒级的高压和高频波形

所抵消。门极驱动信号于参照系统地面的控制器，因此高边驱动器必须将电平移位与适当的耐压额定值(通常为450 V或更高)

结合起来。它还需要一种为高边驱动产生低压电源轨的方法，通常采用由自举二极管和电容组成的网络，参照开关节点。开关

波形应力为dV/dt，GaN可达100 V/ns以上。这导致位移电流流经驱动器到地面，可能导致串联电阻和连接电感的瞬态电压，

可能损坏敏感的差分门极驱动电压。因此，驱动器应具有较强的dV/dt抗扰度。

　　为了限度地防止灾难性的“击穿”和实现能效，半桥高边和低边器件应保证无重叠被驱动，同时保持少的死区时间。因此，

高边和低边驱动应有控制非常好的、匹配的传播延迟。

　　对于低边，接地驱动器应直接在开关源进行开尔文连接，以避免共模电感。这可能是个问题，因为驱动器也有一个接地信

号，这可能不是的连接。因此，低边驱动器可能采用隔离或某种分离功率和信号的方法，具有一定程度的共模电压容限。

　　GaN驱动器可能需要安全隔离

本内容试读结束，登录后可阅读更多

下载后可阅读完整内容，剩余2页未读，立即下载

评论0

weixin_38582506

粉丝: 4
资源: 934

会员权益专享

图片转文字

全年可省5，000元立即开通

最新资源

资源上传下载、课程学习等过程中有任何疑问或建议，欢迎提出宝贵意见哦~我们会及时处理！点击此处反馈