GaN晶體管與其驅(qū)動(dòng)器的封裝集成消除了共源電感

作者: 德州儀器設(shè)計(jì)工程師謝涌；設(shè)計(jì)與系統(tǒng)經(jīng)理Paul Brohlin

導(dǎo)讀：

將GaN FET與它們的驅(qū)動(dòng)器集成在一起可以改進(jìn)開關(guān)性能，并且能夠簡化基于GaN的功率級(jí)設(shè)計(jì)。

氮化鎵 (GaN) 晶體管的開關(guān)速度比硅MOSFET快很多，從而有可能實(shí)現(xiàn)更低的開關(guān)損耗。然而，當(dāng)壓擺率很高時(shí)，特定的封裝類型會(huì)限制GaN FET的開關(guān)性能。將GaN FET與驅(qū)動(dòng)器集成在一個(gè)封裝內(nèi)可以減少寄生電感，并且優(yōu)化開關(guān)性能。集成驅(qū)動(dòng)器還可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能

簡介

氮化鎵 (GaN) 晶體管的開關(guān)性能要優(yōu)于硅MOSFET，因?yàn)樵谕葘?dǎo)通電阻的情況下，氮化鎵 (GaN) 晶體管的終端電容較低，并避免了體二極管所導(dǎo)致的反向恢復(fù)損耗。正是由于這些特性，GaN FET可以實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)頻率，從而在保持合理開關(guān)損耗的同時(shí)，提升功率密度和瞬態(tài)性能。

傳統(tǒng)上，GaN器件被封裝為分立式器件，并由單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，這是因?yàn)镚aN器件和驅(qū)動(dòng)器基于不同的處理技術(shù)，并且可能來自不同的廠商。每個(gè)封裝將會(huì)有引入寄生電感的焊線和引線，如圖1a所示。當(dāng)以每納秒數(shù)十到幾百伏電壓的高壓擺率進(jìn)行切換時(shí)，這些寄生電感會(huì)導(dǎo)致開關(guān)損耗、振鈴和可靠性問題。

將GaN晶體管與其驅(qū)動(dòng)器集成在一起（圖1b）可以消除共源電感，并且極大降低驅(qū)動(dòng)器輸出與GaN柵極之間的電感，以及驅(qū)動(dòng)器接地中的電感。在這篇文章中，我們將研究由封裝寄生效應(yīng)所引發(fā)的問題和限制。在一個(gè)集成封裝內(nèi)對(duì)這些寄生效應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化可以減少該問題，并且以高于100V/ns的高壓擺率實(shí)現(xiàn)出色的開關(guān)性能。

圖1. 由獨(dú)立封裝內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的GaN器件 (a)；一個(gè)集成GaN/驅(qū)動(dòng)器封裝 (b)。

圖2. 用于仿真的半橋電路的簡化圖

仿真設(shè)置

為了仿真寄生電感效應(yīng)，我們使用了一個(gè)采用直接驅(qū)動(dòng)配置的空乏型GaN半橋功率級(jí)（圖2）。我們將半橋設(shè)置為一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，總線電壓480V，死區(qū)時(shí)間50ns時(shí)50%占空比（輸出電壓 [VOUT] = 240V），以及一個(gè)8A的電感器電流。這個(gè)GaN柵極在開關(guān)電壓電平間被直接驅(qū)動(dòng)。一個(gè)阻性驅(qū)動(dòng)設(shè)定GaN器件的接通壓擺率。一個(gè)電流源只會(huì)仿真一個(gè)與連續(xù)傳導(dǎo)模式降壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)開關(guān) (SW) 節(jié)點(diǎn)所連接的電感負(fù)載。

共源電感

高速開關(guān)中最重要的一個(gè)寄生要素是共源電感（圖1a中的Lcs），它限制了器件汲取電流的壓擺率。在傳統(tǒng)的TO-220封裝中，GaN源由焊線流至引線，而汲取電流與柵極電流都從這里流過。這個(gè)共源電感在汲取電流改變時(shí)調(diào)制柵源電壓。共源電感會(huì)高于10nH（其中包括焊線和封裝引線），從而限制了壓擺率 (di/dt)，并增加開關(guān)損耗。

借助圖1b中所示的集成式封裝，驅(qū)動(dòng)器接地直接焊接至GaN裸片的源焊墊。這個(gè)Kelvin源連接最大限度地縮短了電源環(huán)路與柵極環(huán)路共用的共源電感路徑，從而使得器件能夠以高很多的電流壓擺率來開關(guān)。可以將一個(gè)Kelvin源引腳添加到一個(gè)分立式封裝內(nèi)；然而，這個(gè)額外的引腳會(huì)使其成為一個(gè)不標(biāo)準(zhǔn)的電源封裝。Kelvin源引腳還必須從印刷電路板 (PCB) 引回至驅(qū)動(dòng)器封裝，從而增加了柵極環(huán)路電感。

圖3.不同共源電感情況下的高管接通：紅色 = 0nH，綠色 = 1nH，藍(lán)色 = 5nH。E_HS是高管器件的VDS和IDS在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的積分值（能耗）。

圖3顯示的是高管開關(guān)接通時(shí)的硬開關(guān)波形。在共源電感為5nH時(shí)，由于源降級(jí)效應(yīng)，壓擺率減半。一個(gè)更低的壓擺率會(huì)帶來更長的轉(zhuǎn)換時(shí)間，導(dǎo)致更高的交叉?zhèn)鲗?dǎo)損耗，如能耗曲線圖中所示。在共源電感為5nH時(shí)，能量損耗從53μJ增加至85μJ，增加了60%。假定開關(guān)頻率為100kHz，功率損耗則會(huì)從從5.3W增加至8.5W。

柵極環(huán)路電感

柵極環(huán)路電感包括柵極電感和驅(qū)動(dòng)器接地電感。柵極電感是驅(qū)動(dòng)器輸出與GaN柵極之間的電感。在使用獨(dú)立封裝時(shí)，柵極電感包括驅(qū)動(dòng)器輸出焊線 (Ldrv_out)、GaN柵極焊線 (Lg_gan) 和PCB跡線 (Lg_pcb)，如圖1a中所示。

基于不同的封裝尺寸，柵極電感會(huì)從緊湊型表面貼裝封裝（例如，四方扁平無引線封裝）的幾納亨到有引線功率封裝（例如TO-220）的10nH以上。如果驅(qū)動(dòng)器與GaN FET集成在同一個(gè)引線框架內(nèi)（圖1b），GaN柵極直接焊接到驅(qū)動(dòng)器輸出上，這樣可以將柵極電感減少至1nH以下。封裝集成還可以極大地降低驅(qū)動(dòng)器接地電感（從圖1a中的Ldrv_gnd + Ls_pcb到圖1b中的Lks）。

降低柵極環(huán)路電感對(duì)于開關(guān)性能有著巨大影響，特別是在關(guān)閉期間，GaN柵極被一個(gè)電阻器下拉。這個(gè)電阻器的電阻值需要足夠低，這樣的話，器件才不會(huì)在開關(guān)期間由于漏極被拉高而又重新接通。這個(gè)電阻器與GaN器件的柵源電容和柵極環(huán)路電感組成了一個(gè)電感器-電阻器-電容器 (L-R-C) 槽路。方程式1中的Q品質(zhì)因數(shù)表示為：

在柵極環(huán)路電感值更大時(shí)，Q品質(zhì)因數(shù)增加，振鈴變得更高。這個(gè)效應(yīng)用一個(gè)1Ω下拉電阻關(guān)閉低管GaN FET進(jìn)行仿真，圖4中這個(gè)效應(yīng)的出現(xiàn)時(shí)間為9.97μs，其中柵極環(huán)路電感變化范圍介于2nH到10nH之間。在10nH的情況下，低管VGS在負(fù)柵極偏置以下產(chǎn)生12V振鈴。這就極大地增加了GaN晶體管柵極的應(yīng)力。需要注意的一點(diǎn)是，任何FET的柵極上的過應(yīng)力都會(huì)對(duì)可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。

柵極環(huán)路電感還會(huì)對(duì)關(guān)斷保持能力產(chǎn)生巨大影響。當(dāng)?shù)凸芷骷臇艠O保持在關(guān)閉電壓時(shí)，并且高管器件接通，低管漏極電容將一個(gè)大電流傳送到柵極的保持環(huán)路中。這電流通過柵極環(huán)路電感將柵極推上去。圖4在大約10.02μs時(shí)的曲線變化便是說明了這一點(diǎn)。隨著電感增加，低管VGS被推得更高，從而增加了直通電流，這一點(diǎn)在高管漏電流曲線圖中可見 (ID_HS)。這個(gè)直通電流使得交叉?zhèn)鲗?dǎo)能量損耗 (E_HS) 從53μJ增加至67μJ。

圖4. 不同柵極環(huán)路電感下的低管關(guān)閉和高管接通波形：紅色 = 2nH，綠色 = 4nH，藍(lán)色 = 10nH。E_HS是高管能耗。

根據(jù)方程式 (1)，減輕柵極應(yīng)力的一個(gè)方法就是增加下拉電阻值，反過來減少L-R-C槽路的Q品質(zhì)因數(shù)。圖5顯示的是用一個(gè)10nH柵極環(huán)路電感和在1Ω到3Ω之間變化的下拉電阻 (Rpd) 進(jìn)行的仿真結(jié)果。雖然柵極下沖被一個(gè)3Ω下拉電阻限制在負(fù)偏置電壓以下的數(shù)伏特內(nèi)，但是關(guān)斷保持能力惡化，從而導(dǎo)致更大的直通電流。這一點(diǎn)在漏電流曲線圖中很明顯。

E_HS能量曲線圖顯示出，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有額外的13μJ損耗，與2nH的柵極環(huán)路電感和1Ω下拉電阻時(shí)53μJ相比，差不多增加了60%（圖4）。

假定開關(guān)頻率為100kHz，高管器件上的功率損耗從5.3W增加至8W，其原因是由高柵極環(huán)路電感和高下拉電阻值所導(dǎo)致的直通。這個(gè)額外的功率損耗會(huì)使得功率器件內(nèi)的散熱變得十分難以管理，并且會(huì)增加封裝和冷卻成本。

圖5. 使用10nH柵極環(huán)路電感和下拉電阻時(shí)的仿真結(jié)果：Rpd = 1Ω（紅色）、2Ω（綠色）和3Ω（藍(lán)色）。E_HS是高管能耗。

為了減輕直通電壓，可以將柵極偏置為更大的負(fù)電壓，不過這樣做會(huì)增加?xùn)艠O上的應(yīng)力，并且會(huì)在器件處于第三象限時(shí)增大死區(qū)時(shí)間損耗。因此，在柵極環(huán)路電感比較高時(shí)，柵極應(yīng)力與器件關(guān)斷保持能力之間的均衡和取舍很難管理。你必須增加?xùn)艠O應(yīng)力，或者允許半橋直通，這會(huì)增加交叉?zhèn)鲗?dǎo)損耗和電流環(huán)路振鈴，并且會(huì)導(dǎo)致安全工作區(qū) (SOA) 問題。一個(gè)集成式GaN/驅(qū)動(dòng)器封裝提供低柵極環(huán)路電感，并且最大限度地降低柵極應(yīng)力和直通風(fēng)險(xiǎn)。

GaN器件保護(hù)

將驅(qū)動(dòng)器與GaN晶體管安裝在同一個(gè)引線框架內(nèi)可以確保它們的溫度比較接近，這是因?yàn)橐€框架的導(dǎo)熱性能極佳。熱感測和過熱保護(hù)可以置于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，使得當(dāng)感測到的溫度超過保護(hù)限值時(shí)，GaN FET將關(guān)閉。

一個(gè)串聯(lián)MOSFET或一個(gè)并聯(lián)GaN感測FET可以被用來執(zhí)行過流保護(hù)。它們都需要GaN器件與其驅(qū)動(dòng)器之間具有低電感連接。由于GaN通常以較大的di/dt進(jìn)行極快的開關(guān)，互聯(lián)線路中的額外電感會(huì)導(dǎo)致振鈴，并且需要較長的消隱時(shí)間來防止電流保護(hù)失效。集成驅(qū)動(dòng)器確保了感測電路與GaN FET之間盡可能少的電感連接，這樣的話，電流保護(hù)電路可以盡可能快的做出反應(yīng)，以保護(hù)器件不受過流應(yīng)力的影響。

圖6. 一個(gè)半橋降壓轉(zhuǎn)換器（通道2）中的高管接通時(shí)的SW節(jié)點(diǎn)波形。

開關(guān)波形

圖6是一個(gè)半橋的開關(guān)波形；

這個(gè)半橋包含2個(gè)集成式驅(qū)動(dòng)器的GaN器件，采用8mm x 8mm四方扁平無引線 (QFN) 封裝。通道2顯示SW節(jié)點(diǎn)，此時(shí)高管器件在總線電壓為480V的情況下，以120V/ns的壓擺率被硬開關(guān)。這個(gè)經(jīng)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器集成式封裝和PCB將過沖限制在50V以下。需要說明的一點(diǎn)是，捕捉波形時(shí)使用的是1GHz示波器和探頭。

結(jié)論

GaN晶體管與其驅(qū)動(dòng)器的封裝集成消除了共源電感，從而實(shí)現(xiàn)了高電流壓擺率。它還減少了柵極環(huán)路電感，以盡可能地降低關(guān)閉過程中的柵極應(yīng)力，并且提升器件的關(guān)斷保持能力。集成也使得設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)镚aN FET搭建高效的過熱和電流保護(hù)電路。

審核編輯：何安