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氮化鎵功率晶體管需要匹配合適的門極驅(qū)動(dòng)器

發(fā)布時(shí)間:2019-08-21 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】節(jié)能舉措,如企業(yè)服務(wù)器和云數(shù)據(jù)中心電源的“80+ Titianium”,以及外部電源適配器的歐盟行為準(zhǔn)則(CoC) Tier 2,正使電源設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)而選擇GaN開關(guān)技術(shù),以實(shí)現(xiàn)更高能效的設(shè)計(jì)。由于GaN并不是現(xiàn)有硅技術(shù)的直接替代品,為了獲得最大的優(yōu)勢(shì),驅(qū)動(dòng)器和布板必須與新技術(shù)相匹配。
 
 
節(jié)能舉措,如企業(yè)服務(wù)器和云數(shù)據(jù)中心電源的“80+ Titianium”,以及外部電源適配器的歐盟行為準(zhǔn)則(CoC) Tier 2,正使電源設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)而選擇GaN開關(guān)技術(shù),以實(shí)現(xiàn)更高能效的設(shè)計(jì)。由于GaN并不是現(xiàn)有硅技術(shù)的直接替代品,為了獲得最大的優(yōu)勢(shì),驅(qū)動(dòng)器和布板必須與新技術(shù)相匹配。
 
對(duì)比GaN和硅開關(guān)
GaN是高速器件,因其電容很低,且可在沒有反向恢復(fù)電荷的情況下反向?qū)щ?第三象限),這在硬開關(guān)應(yīng)用中是個(gè)真正的優(yōu)勢(shì)。因此,損耗較低,但也有一些缺點(diǎn)。一是器件沒有雪崩電壓額定值,門極驅(qū)動(dòng)相當(dāng)關(guān)鍵,絕對(duì)最大額定電壓典型值僅為+/-10V,而Si器件為+/-20V。另外,增強(qiáng)型(E-mode)GaN通常是關(guān)斷的器件,其1.5V左右的門極導(dǎo)通閾值也低于Si的約3.5V。關(guān)鍵的是,能否實(shí)現(xiàn)低損耗、高功率密度和高可靠性的預(yù)期優(yōu)勢(shì),取決于具有強(qiáng)固保護(hù)特性的優(yōu)化門極驅(qū)動(dòng)電路。
 
GaN門極驅(qū)動(dòng)對(duì)性能至關(guān)重要
 
為了充分增強(qiáng),E-mode GaN開關(guān)需要驅(qū)動(dòng)到約5V,但不很高;除了保持在絕對(duì)最大限值內(nèi),門極電路中的功耗隨門極驅(qū)動(dòng)電壓和頻率的變化而變化。在器件電容和門極電荷較低的情況下,平均驅(qū)動(dòng)功率可以很低。但由于開關(guān)是納秒級(jí)的,峰值電流可以很高,為安培級(jí),因此驅(qū)動(dòng)電路需要匹配這速度,但仍然能夠提供大量的電流。
 
理論上,GaN器件在VGS= 0安全關(guān)斷,但是如果沒有從驅(qū)動(dòng)器返回到開關(guān)源的閉合“開爾文”連接,則所得到的連接電感在器件開關(guān)時(shí)引起電壓尖峰(圖1)。這與門極驅(qū)動(dòng)器相對(duì),最佳地降低驅(qū)動(dòng)電壓裕量,和最壞的導(dǎo)致寄生導(dǎo)通從而具有潛在的破壞性結(jié)果。門極可負(fù)驅(qū)動(dòng)以抵消效應(yīng),但是通過謹(jǐn)慎的布局和便于開爾文連接的驅(qū)動(dòng)器可以避免這種復(fù)雜性。“Miller”電容可引起類似的效應(yīng),但對(duì)于GaN,這可忽略不計(jì)。
 
氮化鎵功率晶體管需要匹配合適的門極驅(qū)動(dòng)器
圖1:源極和門極驅(qū)動(dòng)共有的電感會(huì)引起電壓瞬變
 
高邊門極驅(qū)動(dòng)的挑戰(zhàn)
一些轉(zhuǎn)換拓?fù)洳捎?lsquo;高邊’開關(guān),其門極驅(qū)動(dòng)器返回是高壓開關(guān)節(jié)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)器必須電平移位,并且不受從輸出到輸入的dv/dt影響,對(duì)于GaN,dv/dt可能是100 V/ns以上。此外,在這種情況下,需要很好的控制通過驅(qū)動(dòng)器的傳播延遲,以便匹配低邊和高邊信號(hào),避免發(fā)生災(zāi)難性的“擊穿”,同時(shí)盡可能保持最小的死區(qū)時(shí)間。甚至低邊驅(qū)動(dòng)器有時(shí)也需要信號(hào)和接地電源之間一定的電平移位,以避免從驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)到輸入端的噪聲耦合,這耦合可能會(huì)導(dǎo)致異常運(yùn)行或最壞的設(shè)備故障。
 
有源鉗位反激應(yīng)用示例
 
氮化鎵功率晶體管需要匹配合適的門極驅(qū)動(dòng)器
圖2:GaN有源鉗位反激轉(zhuǎn)換器概覽
 
圖2顯示安森美半導(dǎo)體的NCP51820 GaN門極驅(qū)動(dòng)器及NCP1568有源鉗位反激控制器。該驅(qū)動(dòng)器采用具有調(diào)節(jié)的+5.2V幅值的門極驅(qū)動(dòng)器用于高邊和低邊輸出最佳增強(qiáng)型GaN。其高邊共模電壓范圍-3.5V到+650V,低邊共模電壓范圍為-3.5至+3.5V,dv/dt抗擾度200 V/ns,采用了先進(jìn)的結(jié)隔離技術(shù)。如果在低邊器件源極有一個(gè)電流檢測(cè)電阻器,低邊驅(qū)動(dòng)電平移位使開爾文連接更容易。驅(qū)動(dòng)波形的上升和下降時(shí)間為1ns,最大傳播延遲為50 ns,且提供獨(dú)立的源汲輸出,以定制導(dǎo)通和關(guān)斷邊沿率,達(dá)到最佳的EMI/能效。
 
LLC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用示例
該LLC轉(zhuǎn)換器(圖3)的一個(gè)特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)波形為50%的占空比。因此,控制死區(qū)時(shí)間以不發(fā)生重疊至關(guān)重要。
 
氮化鎵功率晶體管需要匹配合適的門極驅(qū)動(dòng)器
圖3:基于GaN的LLC轉(zhuǎn)換器概覽
 
所示的安森美半導(dǎo)體NCP51820驅(qū)動(dòng)器確保門極驅(qū)動(dòng)不重疊。該器件還含一個(gè)使能輸入和全面的保護(hù),防止電源欠壓和過溫。它采用PQFN、4×4mm 的15引線封裝,使短、低電感連接到GaN器件的門極。
 
布板至關(guān)重要
在所有應(yīng)用中,布板是成功的關(guān)鍵。門驅(qū)動(dòng)回路必須最小化和匹配,驅(qū)動(dòng)器和GaN器件應(yīng)置于PCB同側(cè),并使用接地/電源面。
 
對(duì)于GaN開關(guān),需要仔細(xì)設(shè)計(jì)其門極驅(qū)動(dòng)電路,以實(shí)現(xiàn)更高能效、功率密度及可靠性。此外,謹(jǐn)慎的布板,使用專用驅(qū)動(dòng)器如安森美半導(dǎo)體的NCP51820,及針對(duì)高低邊驅(qū)動(dòng)器的一系列特性,確保GaN器件以最佳性能工作。
 
 
 
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