集成柵極驅動器的GaN ePower超快開關

氮化鎵場效應晶體管在許多電力電子應用中持續獲得關注，但氮化鎵技術仍處于其生命周期的早期階段【1】。雖然基本FET性能品質因數還有很大的提升空間，但GaN功率ic的發展是一條更有前途的道路。

現代GaN-on-silicon器件的橫向FET結構有助于功率器件和信號器件的單片集成，集成GaN功率ic開始在商業上出現【2】、【3】。這種集成有望降低尺寸和成本，同時提高可靠性和性能。

本文舉例說明了集成FET和柵極驅動器IC的優勢。該IC主要用作間接飛行時間應用的激光驅動器，能夠從40 V總線驅動10 A脈沖電流。該IC的輸出上升和下降時間低于600 ps，開關10 A時，輸出RDS（on）約為50mω。并且能夠以超過100 MHz的頻率切換。該IC屬于可支持不同電源和邏輯系列輸入的器件系列。該系列所有現有產品均采用相同的2×3 BGA芯片級封裝（見圖1），尺寸為1 mm × 1.5 mm。這種封裝具有出色的熱性能和極低的電感。

圖EPC21601全集成GaN電源開關的IC照片（a）和框圖（b）。

激光驅動器要求

激光雷達的激光驅動器是脈沖功率應用。圖2顯示了一個簡化的激光驅動器。最初，開關Q1斷開，C1充電至輸入電壓VIN。命令信號command使開關Q1通過激光二極管D1對C1全部或部分放電。電感L1代表C1D1Q1環路的雜散電感?，F代激光雷達系統要求高電流和短轉換的窄脈沖。簡單來說，驅動越快，分辨率越好；電流越大，射程越遠。根據激光雷達系統的不同，脈沖的寬度范圍可以從1納秒到100納秒，從1安到100多安。

圖2:激光驅動器的簡化示意圖

當今激光雷達行業主要有兩種形式:直接飛行時間法（DTOF）和間接飛行時間法（ITOF）【4】。典型的DTOF激光雷達發送單個脈沖并對反射進行計時，以計算到目標的距離。ITOF激光雷達通過比較發射和反射脈沖序列的相位來工作。由于能夠使用簡化的接收器并因此實現更低的成本，ITOF激光雷達最近顯示出巨大的增長。成像芯片是基于低成本CMOS相機成像技術開發的，該技術讓成像芯片為每個像素提供距離信息。這又允許一次捕獲整個幀的距離信息。這些有時被稱為“閃光激光雷達”，因為它們使用激光作為閃光燈照亮場景。雖然硅激光驅動器已經完成了初步設計，但由于激光脈沖微弱且形狀不佳，這些驅動器的射程較短，圖像質量較差，幀速率較低。GaN FETs在這些設計中已被證明是有效的，它能夠以經濟高效的方式實現更高的電流和更快的脈沖以及更銳利的邊沿。

便攜式激光雷達系統的典型ITOF規格

ITOF激光雷達的大部分增長都是在中程范圍內，從不到1米到幾十米。這些系統從單點距離測量系統到百萬像素TOF相機不等，但由于能夠在一個探測周期內捕獲寬視野，因此趨勢傾向于多點和成像系統。這種趨勢有利于一次照亮整個場景的光源，這是垂直腔面發射激光器（VCSELs）的天然選擇。

單個VCSEL非常小，但由于它們從芯片表面發射，因此許多VCSEL可以集成在單個芯片上以增加光輸出。對于小型便攜式系統，典型的脈沖電流要求范圍為2-10 A .雖然單個VCSEL在低電流下的壓降很小，但在較高電流下，等效串聯電阻可能會導致顯著的壓降。VCSELs的串聯會進一步增加電壓降。由于增加了電感，通常用于連接VCSEL的絲焊會產生額外的壓降。如今，VCSEL的壓降范圍可以從3 V到30 V，許多應用需要≥ 10 V .在突發模式下工作時，脈沖頻率可以從幾MHz到100 MHz以上。

圖3: ITOF操作概述圖。

由于ITOF成像儀使用相位差檢測，波形的形狀很重要。矩形脈沖的使用大大簡化了相位檢測，并具有使用開關作為調制器的額外好處。這簡化了激光驅動器，并大大降低了系統總功率要求?？偠灾?，用于ITOF激光雷達系統的激光驅動器應該能夠從高達30V的總線產生2至10 A脈沖，開關頻率可能≥ 100 MHz，最小脈沖寬度為2 ns或更小。這是一個廣泛的規格范圍，通常的方法是為每個應用定制基于GaN的激光驅動器設計。對于硅基激光驅動器，這種設計空間的很大一部分完全遙不可及。

整合的好處

具有所需額定電流和電壓的現代eGaN功率fet的上升和下降時間小于1 ns，因此可以輕松滿足上述要求。事實上，單個0.81 mm2 eGaN FET（如通過汽車認證的EPC2203）可以滿足上述整個設計空間。然而，這種fet的驅動要求與產生發射脈沖的數字子系統的輸出不直接兼容，因為這些輸出往往是3.3 V或更低的低電壓邏輯，并且具有低驅動電流能力。因此，需要一個柵極驅動來將數字信號與FET接口。這是一個問題，因為很少有柵極驅動器能夠驅動高達100 MHz及以上的eGaN FETs，同時保持快速上升和下降時間。少數具有所需驅動能力的驅動器消耗了不可接受的功率水平。此外，柵極驅動器和FET之間的物理距離會增加柵極環路的電感，從而進一步降低性能。最后，柵極驅動器占用空間（比FET更大），增加成本并降低可靠性。GaN技術實現了柵極驅動與主FET的集成，從而提高了性能、減少了器件數量并獲得了所有附帶優勢。

表演

高效電源轉換開發了一系列單芯片GaN IC激光驅動器，如圖1所示。主要版本的主要初步規格如表1所示。

表I:25°c時EPC21601激光驅動器的主要規格。

該ic系列有三個成員:（1）2.5 V邏輯輸入，向IC提供5V電源；（2）5V邏輯輸入和12 V電源；以及（3）低壓差分信號（LVDS）輸入，使其能夠在高噪聲數字環境中直接由高速數字IC驅動。所有三種型號均采用相同的2×3 BGA芯片級封裝，尺寸為1 mm × 1.5 mm，僅需要一個旁路電容。

圖4顯示了驅動2ω低電感負載代替激光器的一些典型波形。電源電壓為20 V時，產生的電流脈沖幅度為10 A .圖（4a）顯示了單個脈沖。漏極電壓vdrain下降時間t f測量導通時間，tr測量關斷時間。在最大額定電流下，tf = 602 ps，tr = 306 ps。激光雷達發射器通常使用突發模式，原因之一是需要防止激光器過熱。圖（4b）顯示了10個周期的100 MHz突發脈沖。IC可以在100 MHz和10A下連續工作，但突發模式工作是為了防止負載功耗過熱。

圖4:單脈沖波形（a）和100 MHz突發波形（b）。兩種情況都使用2.5 V邏輯電平輸入和20V電源，負載為2ω。黃色軌跡為輸入（1 V/div），紅色軌跡為漏極電壓（5 V/div或2.5 A/div）

圖5顯示了驅動垂直腔面發射激光器（VCSEL）的一些典型波形。圖（5a）顯示了單個脈沖，圖（5b）顯示了10個周期的100 MHz突發脈沖。VCSEL封裝包括一根焊線，會增加相當大的電感，導致漏極波形振鈴和較慢的光輸出上升時間。請注意，該電感和10 V轉換導致的較高阻抗導致導通時間（下降時間tf）小于300 ps。

圖5:驅動垂直腔面發射激光器（VCSEL）的波形。單脈沖波形（a）和100 MHz突發波形（b）。兩種情況都使用2.5 V邏輯電平輸入和10V電源，VCSEL負載。黃色軌跡為輸入（1 V/div），紅色軌跡為漏極電壓（5 V/div），藍色軌跡為光接收器輸出（5 mV/div）。

下一步是什么？

這種新開發的集成電路還有其他幾種潛在的應用。一種更傳統的電力電子應用是一種微型升壓轉換器，用于只有5 V電源且需要額外更高電壓的電路。事實上，這種轉換器對于開發激光雷達應用中的激光驅動器總線電壓非常有用。另一個潛在應用是小型E類或EFn逆變器【5】、【6】，或用于微型無線電源的轉換器。有許多可能性，有了能夠100 MHz切換的40 V、10 A邏輯控制電源開關，新應用和創意的大門就敞開了。

關于作者

約翰·格拉澤擁有亞利桑那大學電氣和計算機工程博士和碩士學位以及伊利諾伊大學香檳分校電氣和計算機工程學士學位。在他的職業生涯中，他獲得了11項專利和2項出版物，專業領域包括高頻功率轉換、甚高頻功率、寬帶隙（WBG）氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）功率半導體應用、高密度功率轉換、功率RF電路和應用。自2014年6月以來，他目前在EPC擔任應用工程總監。

參考

A.Lidow，M. de Rooij，J. Strydom，D. Reusch和J. Glaser，《用于高效功率轉換的GaN晶體管》，第3版。威利，2019年。

高效電源轉換公司，“EPC2152數據表，版本1.3”2020年7月20日，訪問時間:2020年10月3日?！驹诰€】?？捎?https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/ EPC 2152 _數據表。pdf

D.Kinzer和S. Oliver，“單芯片高壓GaN功率ic:性能和應用”，IEEE電力電子?，敻?。，第3卷，第3期，第14-21頁，2016年9月，doi:10.1109/mpel . 2016 . 25885000001

C.Bruschini，P. Padmanabhan和E. Charbon，“激光雷達基礎知識”，于2019年6月20日在德國林堡市SENSE探測器學?！驹诰€】發表?？捎?https://www . sense pro . org/images/outreach education/EPFL _激光雷達_SENSEworkshop_Jun2019_v3.pdf

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審核編輯 黃宇