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1、GaN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
2、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
3、常只有 +/-10V。另外，GaN的导通阈值(VGTH)约1. 5V，远低于SiMOSFET(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
4、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二0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/d t (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
5、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
6、,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，
7、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现在增强型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，但较低的电压应用 越来越普遍。如果驱动器输入信号由控制器产生，可通过通信接口人 工访问连接，则驱动器将需要符合相关代码的安全隔
8、离。这可通过高 速信号伽伐尼隔离器以适当的绝缘电压实现。保持驱动器信号边缘率 和高低边匹配成为这些布板的问题，虽然控制器电路常被允许 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应。与“缓冲”或硬齐纳钳位法相比，能效更高，EMI更好，漏波更干净，电路应用功耗低，在45W至U 150 W之间, 典型的应用包括支持USB PD的手机和膝上型计算机的旅行适配器，以及嵌入式电源。HV SaiIATMADFTVrKJ&RCHV冏I图2： GaN有源钳位反激转
9、换器概览图2显示安森美半导体的NCP51820专用GaN门极驱动器1 及NCP15682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增强型GaN。其高边共模电压范围-3.5V到+650V，低边共模电压范围为-3.5至+35V，dv/dt抗扰 度200 V/ns，采用了先进的结隔离技术。如果在低边器件源极有一个 电流检测电阻器，低边驱动电平移位使开尔文连接更容易。驱动波形 的上升和下降时间为1ns，传播延迟为50 ns，且高低边提供独立的源 汲输出，以定制门极驱动边沿，达到的EMI/能效折衷。在这种拓扑结 构中，高低边驱动器不重叠，但具有不同的
10、脉冲宽度，以实现由NCP1568 器件控制的具漏极钳位和零电压开关的电源转换/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 电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重 要。图3显示了 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电视、一体化电脑的嵌入式电源。i-Vo -OSIG GftinPwn ONOPWfl gndTTKTLC3N 研3Q VDDHONKTnrLOSRC
11、IQSNKHV Rail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 可视拓扑需要（如电流馈电转换器）而禁用。该器件还含一个使能输入 和全面的保护，防止电源欠压和过温。它采用PQFN、4X4mm的15引 线封装，使短、低电感连接到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显示了一个采用安森美 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/返回面来避免大电流通孔。HS GATE RETURHPLANE 50LATEQFROM SWITCHHSSOURCEAnd 5HK CATE RESISTORSI他El$SND PLANEreoa ST DIODEYBDOSrC.PVCDH BVPASSCAPliCPSISWDT RESlSTORYDDLBYPASS CAPPCERPiHDLt SOURCECATCLSGrTE RETURN:E加加昌Lm、一 i图 4：GaN 门极驱动电路的好的布板总结对于 GaN 开关，需要仔细设计其门极驱动电路，以在实际应用中 实现更高能效、功率密度及可靠性。此外，谨慎的布板，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性, 确保GaN器件以性能工作。
