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为加强型GaN功率晶体管匹配门极驱动器

标签:加强,加强型,功率,晶体,晶体管,匹配,驱动,驱动器 时间:2020年01月23日 阅读9
作者:安森美半导体策略营销总监Yong Ang

择要

氮化镓(GaN)是最接近理想的半导体开关的器件,能够以特别很是高的能效和高功率密度实现模块电源源转换。但GaN器件在某些方面不如旧的硅技术强固,因此需郑重应用,集成精确的门极驱动对于实现最佳性能和可靠性至关紧张。本文着眼于这些题目,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是模块电源源转换器的典范,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间最严酷的80+规范或USB PD外部适配器的欧盟举动准则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换。为了充分发挥该技术的潜在上风爆破试验台,外部驱动模块电源路必须与GaN器件匹配,同时还要精心布板。

对比GaN和硅开关

更高能效是加强型GaN较硅(Si)开关的重要潜在上风。不同于耗尽型GaN,加强型GaN通常是关断的器件,因此它必要一个正门极驱动模块电源压来导通。加强型GaN的更高能效源于较低的器件模块电源容和GaN的反向(第三象限)导模块电源能力,但反向恢复模块电源荷为零,这是用于硬开关应用的一个重要好处。低栅极源和栅极漏模块电源容,产生低总栅模块电源荷,支撑门极驱动器快速门极开关和低损耗。此外河北人事考试网站,低输出模块电源容提供较低的关断损耗。可能影响现实GaN性能的其他差别是没有漏源/栅雪崩模块电源压额定值和相对较低的绝对最大门极模块电源压,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)。假如外部驱动和负载模块电源路能够可靠地控制源极和门极模块电源压,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模块电源容尺寸,提供高功率密度。

GaN门极驱动对性能至关紧张

使门极驱动模块电源压保持在绝对最大限值内并不是唯一的要求。对于最快的开关,一个典型的GaN器件必要被驱动到约5.2V的最佳VG(ON)值,如许才能完全加强,而不必要额外的门极驱动功率。驱动功率PD由下式得出:

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其中VSW为总门极模块电源压摆幅,f为开关频率,QGTOT为总门极模块电源荷。虽然GaN门极具有有用的模块电源容特征,但在门极的有用串联模块电源阻和驱动器中功率被耗散。因此,使模块电源压摆幅保持最小很紧张,分外是在频率很高的情况下。通常,对于GaN来说九寨沟旅游包车,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缘故原由之一。GaN器件是由模块电源荷控制的,因此对于纳秒开关具有纳米库仑门极模块电源荷,峰值模块电源流为放大器级,必须由驱动器提供,同时保持正确的模块电源压。

理论上,GaN器件在VGS = 0安全关断,但在实际世界中,即使是最好的门极驱动器,直接施加到门极的模块电源压也不可能是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模块电源感L都会对门极驱动器产生相反的模块电源压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迫使模块电源流流过器件的“Miller”模块电源容造成的,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模块电源压,可能-2或-3V,但这使门极驱动模块电源路复杂,为避免复杂,可通过郑重布板和使用以‘开尔文连接’和具有最小封装模块电源感的器件如低高度、无铅PQFN型封装。

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图1:源极和门极驱动共有的模块电源感会引起模块电源压瞬变

高边门极驱动的挑衅

GaN器件不肯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领导通,而且其高于硅MOSFET的额外成本超过了任何小的能效上风。然而北京网络公司,“半桥”拓扑-如图腾柱无桥PFC、LLC转换器和有源钳位反激-将天然成为GaN的根据地,无论是硬开关照旧软开关。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。门极驱动旌旗灯号来源于参照体系地面的控制器,因此高边驱动器必须将模块电源平移位与适当的耐压额定值(通常为450 V或更高)结合起来。它还必要一种为高边驱动产生低压模块电源源轨的方法,通常采用由自举二极管和模块电源容组成的网络,参照开关节点。开关波形应力为dV/dt,GaN可达100 V/ns以上。这导致位移模块电源流流经驱动器到地面,可能导致串联模块电源阻和连接模块电源感的瞬态模块电源压,可能损坏敏感的差分门极驱动模块电源压。因此,驱动器应具有较强的dV/dt抗扰度。

为了最大限度地防止灾祸性的“击穿”和实现最佳能效,半桥高边和低边器件应保证无重叠被驱动,同时保持最少的死区时间。因此,高边和低边驱动应有控制特别很是好的、匹配的传播耽误。

对于低边,接地驱动器应直接在开关源进行开尔文连接,以避免共模模块电源感。这可能是个题目,由于驱动器也有一个接地旌旗灯号,这可能不是最好的连接。因此,低边驱动器可能采用隔离或某种星散功率和旌旗灯号的方法,具有肯定程度的共模模块电源压容限。


GaN驱动器可能必要安全隔离

如今加强型GaN器件正受到极大的关注用于离线应用,这种应用要求设备及其驱动器至少有600 V的高压额定值,但较低的模块电源压应用越来越普遍。假如驱动器输入旌旗灯号由控制器产生,可通过通讯接口人工访问连接,则驱动器将必要吻合相干代码的安全隔离。这可通过高速旌旗灯号伽伐尼隔离器以适当的绝缘模块电源压实现。保持驱动器旌旗灯号边缘率和高低边匹配成为这些布板的题目,虽然控制器模块电源路常被许可‘primary-referenced’,但无论如何,在大多AC-DC转换器中这是常态。


应用示例 – ‘有源钳位反激’

这是个有源钳位反激拓扑的例子(图2),使用一个高边开关将换流变压器的漏感能量循环供给。与“缓冲”或硬齐纳钳位法相比,能效更高,EMI更好,漏波更干净,模块电源路应勤奋耗低,在45W到150 W之间,典型的应用包括支撑USB PD的手机和膝上型计算机的旅行适配器,以及嵌入式模块电源源。

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图2:GaN有源钳位反激转换器概览

图2表现安森美半导体的NCP51820专用GaN门极驱动器[1]及NCP1568[2]有源钳位反激控制器 (细节省略)。该驱动器采用具有调节的+5.2V幅度的门极驱动器用于高边和低边最佳加强型GaN。其高边共模模块电源压范围-3.5V到+650V,低边共模模块电源压范围为-3.5至+3.5V,dv/dt抗扰度200 V/ns,采用了先辈的结隔离技术。假如在低边器件源极有一个模块电源流检测模块电源阻器,低边驱动模块电源平移位使开尔文连接更容易。驱动波形的上升和降落时间为1ns,最大传播耽误为50 ns,且高低边提供自力的源汲输出,以定制门极驱动边沿,达到最佳的EMI/能效折中。在这种拓扑结构中,高低边驱动器不重叠,但具有不同的脉冲宽度,以实现由NCP1568器件控制的具漏极钳位和零模块电源压开关的模块电源源转换/调节。


应用示例 – LLC转换器

在功率大于150 W的情况下,谐振式LLC转换器因能效高、开关模块电源压应力有限而常被使用。该转换器的一个特点是驱动波形为50%的占空比,通过变频调节。因此,控制死区时间以保证不发生重叠至关紧张。图3表现了NCP13992高性能LLC控制器的典型架构。这种设计可以在500 kHz的开关频率下工作,并且通常用于大功率游戏适配器和OLED模块电源视、一体化模块电源脑的嵌入式模块电源源。

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图3:基于GaN的LLC转换器概览

所示的安森美半导体NCP51820驱动器确保门极驱动不重叠,但这可视拓扑必要(如模块电源流馈模块电源转换器)而禁用。该器件还含一个使能输入和周全的珍爱,防止模块电源源欠压和过温。它采用PQFN、4×4mm 的15引线封装,使短、低模块电源感连接到GaN器件的门极。

布板考量

在所有应用中,布板是成功的关键。图4表现了一个采用安森美半导体的NCP51820的示例布板,微型化并匹配门驱动回路。GaN器件和驱动器被置于PCB同侧,通过适当地使用接地/返回面来避免大模块电源流通孔。

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图4:GaN门极驱动模块电源路的好的布板


总结

对于GaN开关,必要细心设计其门极驱动模块电源路,以在现实应用中实现更高能效、功率密度及可靠性。此外,郑重的布板,使用专用驱动器如安森美半导体的NCP51820,及针对高低边驱动器的一系列特征,确保GaN器件以最佳性能工作。


参考文献
[1] On Semiconductor NCP51820
     https://www.esmo.cn/onsemi3564/PowerSolutions/product.do?id=NCP51820
[2] On Semiconductor NCP1568
     https://www.esmo.cn/onsemi3564/PowerSolutions/product.do?id=NCP1568
[3] ON Semiconductor NCP13992
      https://www.esmo.cn/onsemi3564/PowerSolutions/product.do?id=NCP13992


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