用于 GaN 功率器件的集成柵極驅(qū)動(dòng)器
出處：維庫電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于：2023-07-14 15:25:05
為了實(shí)現(xiàn)可靠、高效的運(yùn)行，我們考慮了多種設(shè)計(jì)因素。柵極驅(qū)動(dòng)電壓確定為6-7V，以確保電源開關(guān)完全導(dǎo)通。開啟 GaN 功率晶體管所需的柵極電荷（即約 2 nC）明顯低于硅晶體管，從而提高了效率。
在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于電源開關(guān)的充電過程，開關(guān)速度較慢。為了克服這一限制，在柵極驅(qū)動(dòng)器中引入了電荷泵電路。這種方法確保了上拉充電晶體管的恒定電壓（VGS），提高了充電速度并減少了柵極應(yīng)力。新的柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì) Gen-II 展現(xiàn)了更高的驅(qū)動(dòng)能力、軌到軌輸出和高效的 GaN 功率器件開啟，如圖 1 所示。
圖1：GaN功率器件電路Gen-1和Gen-2的比較（）
柵極驅(qū)動(dòng)器的芯片級(jí)特性表明其能夠高效驅(qū)動(dòng) 650V/130mΩ GaN 功率晶體管。柵極驅(qū)動(dòng)器的靜態(tài)電流約為 6 mA，從而實(shí)現(xiàn)的靜態(tài)功耗。傳播延遲測(cè)量表明，由于橫向 GaN 功率器件具有優(yōu)異的電流密度和較小的固有電容，因此快速開啟和關(guān)閉時(shí)間分別僅為 2.9 ns 和 1.7 ns。
負(fù)柵極偏置可防止柵極源電容過度充電
在導(dǎo)通過程中，例如0至50伏，高峰值電流會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)注入柵極節(jié)點(diǎn)，這可能導(dǎo)致柵源電容充電以及不必要的導(dǎo)通高側(cè)晶體管。佩爾森解釋了如何向柵極施加負(fù)偏壓而不是零電壓來防止柵源電容充電，從而確保高側(cè)晶體管保持關(guān)閉狀態(tài)。對(duì)于 650V HV GaN 晶體管，約 -2.5 至 -3 伏的負(fù)偏壓足以實(shí)現(xiàn)所需結(jié)果并防止過度充電。
可以使用簡(jiǎn)單的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)此類柵極驅(qū)動(dòng)器。該轉(zhuǎn)換器由可調(diào)節(jié)占空比振蕩器或微控制器控制，提供包含所需負(fù)偏置的分流電源。調(diào)整占空比可以控制負(fù)偏壓的幅度。DC-DC 轉(zhuǎn)換器采用電容耦合方式，提供簡(jiǎn)單的解決方案，無需額外的穩(wěn)壓器或復(fù)雜的設(shè)計(jì)。圖 2 顯示了此類利用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動(dòng)器的示例配置，展示了英飛凌的緊湊設(shè)計(jì)，適合安裝在小卡上。這種配置允許對(duì)高側(cè)和低側(cè)晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行正偏壓和負(fù)偏壓。通過提供足夠的負(fù)偏壓，可以有效防止誤開通，保證可靠運(yùn)行。
圖 2：負(fù)偏置電源的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器原理圖和物理設(shè)計(jì)（ Technologies）
然而，應(yīng)該注意的是，提供更多的負(fù)柵極偏壓可以提供增加的余量并防止錯(cuò)誤導(dǎo)通。盡管如此，它也會(huì)增加第三象限導(dǎo)通期間的二極管壓降。因此，必須在提供足夠的負(fù)偏壓和保持高效運(yùn)行之間取得平衡。
化電源環(huán)路電感作為設(shè)計(jì) GaN 柵極驅(qū)動(dòng)器的一步
Persson 強(qiáng)調(diào)，為了限度地減少電源環(huán)路電感，必須使用表面貼裝封裝，因?yàn)橥自枰谳^低頻率下運(yùn)行，以減輕瞬時(shí)電感器電壓的過沖。這限制了 GaN 的高頻能力，因此表面貼裝封裝，這在圖 2 中英飛凌設(shè)計(jì)的子卡中也可以注意到。另一種方法是注意電流流向何處，以化相互返回電流電感。
柵極驅(qū)動(dòng)電流環(huán)路與主電流共享一條電感路徑，主電流可能在數(shù)十安培的范圍內(nèi)，并通過路徑的電感產(chǎn)生變化的電流（dI/dt）。這種變化的電流會(huì)在電感上感應(yīng)出電壓，這可能會(huì)影響所施加的柵極電壓并導(dǎo)致開啟和關(guān)閉時(shí)間變慢。它還可能導(dǎo)致振蕩問題并影響系統(tǒng)的整體性能。因此，通過仔細(xì)設(shè)計(jì)電路的布局和布線，可以設(shè)計(jì)返回電流路徑以化互感，并幫助設(shè)計(jì)用于 GaN 功率器件的高效柵極驅(qū)動(dòng)器。
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