GaN器件的驱动设计方案

1GaN 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 USBPD 外部适配器的欧盟行为准则 Tier2 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2值和相对较低的门极电压，SiMOSFET 约+/-20V,而 GaN 通常只有+/-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，G...