柵極驅動(dòng)器和偏置電源注意事項

氮化鎵 （GaN） 是電力電子行業(yè)的熱門(mén)話(huà)題，因為它可以使得 80Plus 鈦電源、3.8kW/L 電動(dòng)汽車(chē) （EV） 車(chē)載充電器和 EV 充電站等設計得以實(shí)現。在許多應用中，GaN 能夠提高功率密度和效率，因此它取代了傳統的硅金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管 （MOSFET）。但由于 GaN 的電氣特性和它所能實(shí)現的性能，使用 GaN 進(jìn)行設計面臨與硅不同的一系列挑戰。

不同類(lèi)型的 GaN FET 具有不同的器件結構。GaN FET 包括耗盡型 （d-mode）、增強型 （e-mode）、共源共柵型 （cascode） 等三種類(lèi)型，每種類(lèi)型都具有各自的柵極驅動(dòng)器和系統要求。本文將介紹使用不同類(lèi)型的 GaN FET 進(jìn)行設計來(lái)提高系統設計的功率密度所需考慮的最重要因素。同時(shí)還將分析集成柵極驅動(dòng)器和電壓供應調節等功能可以如何顯著(zhù)簡(jiǎn)化整體設計。

GaN FET 剖析

每種 GaN 電源開(kāi)關(guān)都需要配備合適的柵極驅動(dòng)器，否則在工作臺測試時(shí)可能發(fā)生事故。GaN 器件具有超級敏感的柵極，因為它們不是傳統意義上的 MOSFET，而是高電子遷移率晶體管 （HEMT）。HEMT 的截面如圖 1 所示，類(lèi)似于 MOSFET，但電流不會(huì )流過(guò)整個(gè)襯底或緩沖層，而是流過(guò)一個(gè)二維的電子氣層。

圖 1：GaN FET 橫向結構截面圖

不當的柵極控制可能會(huì )導致 GaN FET 的絕緣層、勢壘或其他結構性部分被擊穿。這不僅會(huì )造成 GaN FET 在對應系統條件下無(wú)法工作，還可能會(huì )對器件本身造成永久性損壞。這種敏感度取決于不同類(lèi)型的 GaN 器件及其廣泛需求。HEMT 也不具有傳統摻雜的 FET 結構。該結構會(huì )形成 PN 結，進(jìn)而產(chǎn)生體二極管。這意味著(zhù)內部二極管不會(huì )在運行過(guò)程中被擊穿或產(chǎn)生反向恢復等不必要行為。

柵極驅動(dòng)器和偏置電源注意事項

增強型 GaN FET 在外觀(guān)上與增強型硅 FET 非常類(lèi)似，這點(diǎn)您可能已經(jīng)有所體會(huì )。在柵極閾值電壓為 6V 的工作條件下，1.5V 至 1.8V 的正電壓為 FET 開(kāi)啟電壓。但是大多增強型 GaN 器件的最大柵極閾值電壓為 7V，一旦超過(guò)很可能會(huì )造成永久性損壞。

由于傳統的硅柵極驅動(dòng)器在基于 GaN 的設計中可能無(wú)法提供適當的電壓調節功能或無(wú)法解決高共模瞬態(tài)抗擾度問(wèn)題，許多設計人員會(huì )選擇 TI 專(zhuān)為 GaN FET 設計的 LMG1210-Q1 等柵極驅動(dòng)器。無(wú)論電源電壓如何，該器件都可提供 5V 的柵極驅動(dòng)電壓。傳統的柵極驅動(dòng)器需要非常嚴格地調節柵極驅動(dòng)器的偏置電源，以防 GaN FET 過(guò)載。相比于增強型 GaN FET，共源共柵型 GaN FET 是一種犧牲易用性的折衷方案，結構如圖 2 所示。

圖 2：增強型與共源共柵耗盡型 GaN FET 示意圖

GaN FET 是一種耗盡型器件，意味著(zhù)該器件在通常情況下導通、關(guān)斷時(shí)需要在柵極施加負的閾值電壓。這對于電源開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的問(wèn)題，為此大多數制造商在 GaN FET 封裝中串接了一個(gè) 30V 硅 FET。GaN FET 的柵極與硅 FET 的源極相連，在硅 FET 的柵極施加開(kāi)啟與關(guān)閉柵極脈沖。

封裝內串接硅 FET 的主要優(yōu)勢在于，使用傳統的隔離式柵極驅動(dòng)器（如 UCC5350-Q1）驅動(dòng)硅 FET 可以解決許多柵極驅動(dòng)器和偏置電源問(wèn)題。共源共柵型 GaN FET 的主要缺點(diǎn)是 FET 的輸出電容較高，并且由于體二極管的存在，易受反向恢復的影響。硅 FET 的輸出電容加上 GaN FET 的輸出電容，使 FET 的輸出電容增加了 20%，這意味著(zhù)與其他 GaN 解決方案相比，開(kāi)關(guān)損耗增加了 20% 以上。此外，在反向導通過(guò)程中，硅 FET 的體二極管會(huì )導通電流，并在電壓極性翻轉時(shí)進(jìn)行反向恢復。

為防止硅 FET 的雪崩擊穿，共源共柵型 GaN FET 需以 70V/ns（其他 GaN 解決方案為 150V/ns）的壓擺率工作，這增加了開(kāi)關(guān)交疊損耗。盡管共源共柵型 GaN FET 可以簡(jiǎn)化設計，但會(huì )限制可實(shí)現的性能。

通過(guò)集成實(shí)現更簡(jiǎn)單的解決方案

將柵極驅動(dòng)器和內置偏置電源調節與耗盡型 GaN FET 進(jìn)行集成，可以解決增強型和共源共柵型 GaN FET 設計上的許多難題。例如，LMG3522R030-Q1 是一款 650V 30mΩ 的 GaN 器件，集成了柵極驅動(dòng)器和電源管理功能，可實(shí)現更高的功率密度和效率，同時(shí)降低相關(guān)風(fēng)險和工程工作量。耗盡型 GaN FET 需要在封裝內串接硅 FET。但與共源共柵型 GaN FET 的主要區別在于，所集成的柵極驅動(dòng)器可以直接驅動(dòng) GaN FET 的柵極，而硅 FET 則在上電時(shí)保持常閉狀態(tài)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)。這種直接驅動(dòng)可以解決共源共柵型 GaN FET 的主要問(wèn)題，例如較高的輸出電容、反向恢復敏感性和串聯(lián)硅 FET 的雪崩擊穿。LMG3522R030-Q1 中集成的柵極驅動(dòng)器可實(shí)現較低的開(kāi)關(guān)交疊損耗，使 GaN FET 能夠在高達 2.2MHz 的開(kāi)關(guān)頻率下工作，并消除 GaN FET 使用錯誤柵極驅動(dòng)器的風(fēng)險。圖 3 展示了使用了集成 LMG3522R030-Q1 GaN FET 的半橋配置。

圖 3：使用 UCC25800-Q1 變壓器驅動(dòng)器和兩個(gè) LMG3522R030-Q1 GaN FET 的簡(jiǎn)化 GaN 半橋配置

集成驅動(dòng)器可減小解決方案尺寸，實(shí)現功率密集型系統。同時(shí)，集成降壓/升壓轉換器意味著(zhù) LMG3522R030-Q1 可在 9V 至 18V 的非穩壓電源下工作，從而顯著(zhù)降低對偏置電源的要求。為實(shí)現緊湊且經(jīng)濟的系統解決方案，可以將 LMG3522R030-Q1 與 UCC25800-Q1 等超低電磁干擾變壓器驅動(dòng)器配合使用，通過(guò)多個(gè)二次繞組實(shí)現開(kāi)環(huán)的電感-電感-電容控制?；蛘?，使用高度集成的緊湊型偏置電源（如 UCC14240-Q1 直流/直流模塊），可為器件進(jìn)行本地供電，從而實(shí)現基于小尺寸印刷電路板的超薄設計。

結語(yǔ)

通過(guò)使用合適的柵極驅動(dòng)器和偏置電源，GaN 器件可幫助您實(shí)現系統級優(yōu)勢，如 150V/ns 的開(kāi)關(guān)速度、較低的開(kāi)關(guān)損耗以及較小的高功率系統磁性尺寸，適用于工業(yè)和汽車(chē)應用。集成 GaN 解決方案可以簡(jiǎn)化許多器件級挑戰，從而使您可以專(zhuān)注于更廣泛的系統。