其中VSW為總門極電壓擺幅，f為開關(guān)頻率，QGTOT為總門極電荷。雖然GaN門極具有有效的電容特性，但在門極的有效串聯(lián)電阻和驅(qū)動器中功率被耗散。因此，使電壓擺幅保持最小很重要，特別是在頻率很高的情況下。通常，對于GaN來說，QGTOT是幾nC，約是類似的硅MOSFET值的十分之一-這也是GaN能夠如此快速開關(guān)的原因之一。GaN器件是由電荷控制的，因此對于納秒開關(guān)具有納米庫侖門極電荷，峰值電流為放大器級，必須由驅(qū)動器提供，同時(shí)保持精確的電壓。

 

理論上，GaN器件在VGS = 0安全關(guān)斷，但在現(xiàn)實(shí)世界中，即使是最好的門極驅(qū)動器，直接施加到門極的電壓也不可能是0V。根據(jù)VOPP = -L di/dt (圖1)，在門極驅(qū)動回路共有的源引線中的任何串聯(lián)電感L都會對門極驅(qū)動器產(chǎn)生相反的電壓VOPP，這會導(dǎo)致高源di/dt的假開關(guān)。同樣的影響可能是由關(guān)態(tài)dv/dt迫使電流流過器件的“Miller”電容造成的，但對于GaN，這可忽略不計(jì)。一種解決方案是提供一個負(fù)門極關(guān)斷電壓，可能-2或-3V，但這使門極驅(qū)動電路復(fù)雜，為避免復(fù)雜，可通過謹(jǐn)慎布板和使用以‘開爾文連接’和具有最小封裝電感的器件如低高度、無鉛PQFN型封裝。

 

圖1：源極和門極驅(qū)動共有的電感會引起電壓瞬變

 

高邊門極驅(qū)動的挑戰(zhàn)

 

GaN器件不一定適合于所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如大多數(shù)“單端”反激式和正激式?jīng)]有反向?qū)?，而且其高于硅MOSFET的額外成本超過了任何小的能效優(yōu)勢。然而，“半橋”拓?fù)?如圖騰柱無橋PFC、LLC轉(zhuǎn)換器和有源鉗位反激-將自然成為GaN的根據(jù)地，無論是硬開關(guān)還是軟開關(guān)。這些拓?fù)涠加?ldquo;高邊”開關(guān)，其源是個開關(guān)節(jié)點(diǎn)，因此門極驅(qū)動被一個具有納秒級的高壓和高頻波形所抵消。門極驅(qū)動信號來源于參照系統(tǒng)地面的控制器，因此高邊驅(qū)動器必須將電平移位與適當(dāng)?shù)哪蛪侯~定值(通常為450 V或更高)結(jié)合起來。它還需要一種為高邊驅(qū)動產(chǎn)生低壓電源軌的方法，通常采用由自舉二極管和電容組成的網(wǎng)絡(luò)，參照開關(guān)節(jié)點(diǎn)。開關(guān)波形應(yīng)力為dV/dt，GaN可達(dá)100 V/ns以上。這導(dǎo)致位移電流流經(jīng)驅(qū)動器到地面，可能導(dǎo)致串聯(lián)電阻和連接電感的瞬態(tài)電壓，可能損壞敏感的差分門極驅(qū)動電壓。因此，驅(qū)動器應(yīng)具有較強(qiáng)的dV/dt抗擾度。

 

為了最大限度地防止災(zāi)難性的“擊穿”和實(shí)現(xiàn)最佳能效，半橋高邊和低邊器件應(yīng)保證無重疊被驅(qū)動，同時(shí)保持最少的死區(qū)時(shí)間。因此，高邊和低邊驅(qū)動應(yīng)有控制非常好的、匹配的傳播延遲。

 

對于低邊，接地驅(qū)動器應(yīng)直接在開關(guān)源進(jìn)行開爾文連接，以避免共模電感。這可能是個問題，因?yàn)轵?qū)動器也有一個接地信號，這可能不是最好的連接。因此，低邊驅(qū)動器可能采用隔離或某種分離功率和信號的方法，具有一定程度的共模電壓容限。

 

GaN驅(qū)動器可能需要安全隔離

 

現(xiàn)在增強(qiáng)型GaN器件正受到極大的關(guān)注用于離線應(yīng)用，這種應(yīng)用要求設(shè)備及其驅(qū)動器至少有600 V的高壓額定值，但較低的電壓應(yīng)用越來越普遍。如果驅(qū)動器輸入信號由控制器產(chǎn)生，可通過通信接口人工訪問連接，則驅(qū)動器將需要符合相關(guān)代碼的安全隔離。這可通過高速信號伽伐尼隔離器以適當(dāng)?shù)慕^緣電壓實(shí)現(xiàn)。保持驅(qū)動器信號邊緣率和高低邊匹配成為這些布板的問題，雖然控制器電路常被允許‘primary-referenced’，但無論如何，在大多AC-DC轉(zhuǎn)換器中這是常態(tài)。

 

應(yīng)用示例 – ‘有源鉗位反激’

 

這是個有源鉗位反激拓?fù)涞睦?圖2)，使用一個高邊開關(guān)將換流變壓器的漏感能量循環(huán)供應(yīng)。與“緩沖”或硬齊納鉗位法相比，能效更高，EMI更好，漏波更干凈，電路應(yīng)用功耗低，在45W到150 W之間，典型的應(yīng)用包括支持USB PD的手機(jī)和膝上型計(jì)算機(jī)的旅行適配器，以及嵌入式電源。

 

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專用GaN門極驅(qū)動器[1]及NCP1568[2]有源鉗位反激控制器 (細(xì)節(jié)省略)。該驅(qū)動器采用具有調(diào)節(jié)的+5.2V幅度的門極驅(qū)動器用于高邊和低邊最佳增強(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電流檢測電阻器，低邊驅(qū)動電平移位使開爾文連接更容易。驅(qū)動波形的上升和下降時(shí)間為1ns，最大傳播延遲為50 ns，且高低邊提供獨(dú)立的源汲輸出，以定制門極驅(qū)動邊沿，達(dá)到最佳的EMI/能效折衷。在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，高低邊驅(qū)動器不重疊，但具有不同的脈沖寬度，以實(shí)現(xiàn)由NCP1568器件控制的具漏極鉗位和零電壓開關(guān)的電源轉(zhuǎn)換/調(diào)節(jié)。

 

應(yīng)用示例 – LLC轉(zhuǎn)換器

 

在功率大于150 W的情況下，諧振式LLC轉(zhuǎn)換器因能效高、開關(guān)電壓應(yīng)力有限而常被使用。該轉(zhuǎn)換器的一個特點(diǎn)是驅(qū)動波形為50%的占空比，通過變頻調(diào)節(jié)。因此，控制死區(qū)時(shí)間以保證不發(fā)生重疊至關(guān)重要。圖3顯示了NCP13992高性能LLC控制器的典型架構(gòu)。這種設(shè)計(jì)可以在500 kHz的開關(guān)頻率下工作，并且通常用于大功率游戲適配器和OLED電視、一體化電腦的嵌入式電源。

 

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)動器確保門極驅(qū)動不重疊，但這可視拓?fù)湫枰?如電流饋電轉(zhuǎn)換器)而禁用。該器件還含一個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。

 

布板考量

 

在所有應(yīng)用中，布板是成功的關(guān)鍵。圖4顯示了一個采用安森美半導(dǎo)體的NCP51820的示例布板，微型化并匹配門驅(qū)動回路。GaN器件和驅(qū)動器被置于PCB同側(cè)，通過適當(dāng)?shù)厥褂媒拥?返回面來避免大電流通孔。

 

圖4：GaN門極驅(qū)動電路的好的布板

 

總結(jié)

 

對于GaN開關(guān)，需要仔細(xì)設(shè)計(jì)其門極驅(qū)動電路，以在實(shí)際應(yīng)用中實(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)動器如安森美半導(dǎo)體的NCP51820，及針對高低邊驅(qū)動器的一系列特性，確保GaN器件以最佳性能工作。