基于GaN的開關(guān)器件驅(qū)動是關(guān)鍵要素

在過去的十多年里，行業(yè)專家和分析人士一直在預(yù)測，基于氮化鎵(GaN)功率開關(guān)器件的黃金時期即將到來。與應(yīng)用廣泛的MOSFET硅功率器件相比，基于GaN的功率器件具有更高的效率和更強(qiáng)的功耗處理能力。這些優(yōu)勢正是當(dāng)下高功耗高密度系統(tǒng)、服務(wù)器和計算機(jī)所需要的，可以說專家所預(yù)測的拐點(diǎn)已經(jīng)到來！

時下，多個廠商正在大量的生產(chǎn)GaN器件，這些GaN器件正在被應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)甚至要求極為嚴(yán)格的汽車領(lǐng)域的電力和電機(jī)控制中。他們的接受度和可信度正在逐漸提高。（請注意，基于GaN的射頻功放或功放也取得了很大的成功，但與GaN器件具有不同的應(yīng)用場合，超出了本文的范圍。）本文探討了GaN器件的潛力，GaN和MOSFET器件的不同，GaN驅(qū)動器件成功的關(guān)鍵并介紹了減小柵極驅(qū)動環(huán)耦合噪聲技術(shù)。

為什么GaN器件得到了發(fā)展？

基于硅的MOSFET器件已經(jīng)取得了巨大的成功，目前，它們已經(jīng)在幾十瓦到幾百瓦甚至上千瓦功率的應(yīng)用場合成為了標(biāo)準(zhǔn)，如AC/DC、DC/DC以及電機(jī)驅(qū)動等領(lǐng)域。硅MOSFET器件已經(jīng)對多個參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，如通導(dǎo)通阻RDS(ON)、額定電壓、開關(guān)速度、封裝等。這些MOSFET性能的提高已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因為目前的性能已經(jīng)接近了物理材料的理論極限。

這給氮化鎵功率器件的發(fā)展創(chuàng)造了條件。GaN是一種高電子遷移率晶體管(HEMT)，如圖1所示。高電子遷移率晶體管意味著GaN器件的臨界電場強(qiáng)度大于硅。對于相同的片上電阻和擊穿電壓，GaN的尺寸更小。GaN還具有極快的開關(guān)速度和優(yōu)異的反向恢復(fù)性能，在低損耗、高效率的應(yīng)用場合這一點(diǎn)十分重要的。600/650V等級的GaN晶體管現(xiàn)在已經(jīng)廣泛使用，具有廣泛的應(yīng)用前景。

GaN器件分為兩種類型：

• 耗盡型：耗盡型GaN晶體管常態(tài)下是導(dǎo)通的，為了使它截止必須在源漏之間加一個負(fù)電壓。
• 增強(qiáng)型：增強(qiáng)型GaN晶體管常態(tài)下是截止的，為了使它導(dǎo)通必須在源漏之間加一個正電壓。

兩種類型的不同，不僅僅在于他們的操作模式不同。對于耗盡型器件，在應(yīng)用時需要解決啟動問題，在啟動時必須首先加一個負(fù)壓，使器件截止，以避免在啟動過程中產(chǎn)生短路電流。與之相反，增強(qiáng)型器件的常態(tài)是關(guān)閉的，當(dāng)柵極上沒有偏置電壓時，源漏之間不會有電流通過，這是理想的啟動狀態(tài)。為了解決耗盡模式GaN器件的這個缺點(diǎn)，它們通常被封裝在一個帶有低電壓的硅MOSFET的級聯(lián)結(jié)構(gòu)中，從而避免出現(xiàn)這種情況。

GaN與MOSFET

GaN與MOSFET器件有不同之處，也有相同之處。首先來看看它們的相同之處。雖然GaN的參數(shù)值和MOSFET不同（這也正是GaN具有吸引力的原因），但很多術(shù)語是相同的。比如他們都有源級、漏級和柵極，他們的關(guān)鍵參數(shù)都是導(dǎo)通電阻和擊穿電壓。

當(dāng)然，它們的相似之處遠(yuǎn)超這些表層內(nèi)容。MOSFET和增強(qiáng)型GaN常態(tài)下都是關(guān)閉的，并且都是電壓驅(qū)動的(不是電流驅(qū)動)，都有輸入電容，輸入電容必須由驅(qū)動電路進(jìn)行充放電。充放電的波形和轉(zhuǎn)換速率都是影響其性能的重要因素。

此外，他們之間的差異也很大，除了明顯的半導(dǎo)體材料和工藝外，還有很多顯著的差異。首先，GaN的導(dǎo)通電阻非常低，這使得靜態(tài)功耗顯著降低，提高了效率。另外，GaN FET的結(jié)構(gòu)使其輸入電容非常低，提高了開關(guān)速度。GaN器件可以在納秒內(nèi)電壓上升到幾百伏，支持幾MHz頻率的大電流轉(zhuǎn)換。(最新一代的器件可以應(yīng)用在幾百M(fèi)Hz的場合)。這意味著GaN具有更高的效率，并可以使用更少的電磁學(xué)和被動元件。

一個具有代表性的GaN器件是GaN Systems 的GS66516B——650V增強(qiáng)型GaN功率晶體管，它具有大電流、高電壓擊穿和高的開關(guān)頻率(圖2)。該晶體管具有6個引腳，底部散熱，如圖3，封裝尺寸只有11×9毫米，具有非常低的管殼熱阻，導(dǎo)通電阻僅為25mΩ，最大漏源電流為10A，開關(guān)頻率超過10MHz。

驅(qū)動是GaN成功的關(guān)鍵

無論是GaN還是MOSFET，一個可靠并且合適的驅(qū)動是器件可以穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。簡單來說，驅(qū)動電路就是低壓、低電流的MCU數(shù)字接口和高壓、高電流、高速度的功耗器件之間的電路。

當(dāng)然，驅(qū)動所扮演的角色遠(yuǎn)不止于此。驅(qū)動必須能夠以足夠高的速度對柵極上的電容進(jìn)行充電，使晶體管開啟，同時不會引起振鈴和過沖。在關(guān)斷模式下，它必須能夠快速的對柵極電容進(jìn)行放電，不引起振鈴或過沖。它必須始終如一的這么做，并且保持恰當(dāng)?shù)?a href="http://srfitnesspt.com/tags/時鐘/" target="_blank">時鐘傾斜以避免shoot-through短路。

決定GaN驅(qū)動器件的主要參數(shù)有三個：最大柵極電壓，柵極閾值電壓和體二極管壓降。增強(qiáng)型GaN器件的柵源電壓是6V，大約是MOSFET的一半，這簡化了產(chǎn)生所需開關(guān)電壓和電流的挑戰(zhàn)。柵極電壓也比大多數(shù)功率MOSFET低，同時具有較低的負(fù)溫度系數(shù)，這也簡化了驅(qū)動補(bǔ)償問題。體二極管的正向電壓降，是器件結(jié)構(gòu)的固有屬性，GaN器件比同等的硅MOSFET的電壓要高。

通過一些數(shù)字對比可以更明顯的看出GaN與MOSFET的區(qū)別。GaN比硅MOSFET開關(guān)速度更快，dV/dt的轉(zhuǎn)換率大于100V/nsec。對于具有相同RDS(ON)等級的MOSFET和GaN，GaN的開啟時間比MOSFET快4倍，關(guān)斷時間快2倍。雖然越快越好，但這也給驅(qū)動電路帶來了新的挑戰(zhàn)。米勒效應(yīng)也同樣影響了晶體管的開啟/關(guān)斷速度和波形(你還記得半導(dǎo)體器件物理里面的米勒效應(yīng)嗎)，對于具有相同RDS(ON)的GaN和MOSFET，GaN的米勒電荷更少，因此GaN可以更快地開啟/關(guān)閉，這是一個優(yōu)勢。然而，高的速度可能會引起在轉(zhuǎn)換過程中，使橋上的器件組產(chǎn)生shoot-through，從而對效率產(chǎn)生不利影響。因此，必須控制柵極驅(qū)動的上拉電阻，以最大限度地減少傳輸時間，同時不改變其他特性，這也提供了一種避免過沖和振鈴的方法。這可以避免開啟/關(guān)閉故障，同時減小EMI的產(chǎn)生。雖然分析變得十分復(fù)雜(圖4和圖5)，但在閾值電壓較低的GaN器件中，最簡單的解決方案就是將驅(qū)動?xùn)艠O的上升和下拉電阻分開，并在需要時插入一個離散的電阻(圖6)。

簡言之，一個不起眼的無源電阻(或電阻對)成為了成功驅(qū)動的關(guān)鍵因素，平衡了相關(guān)的參數(shù)。合適大小的柵極開啟/關(guān)閉電阻可以使性能優(yōu)越、驅(qū)動穩(wěn)定，因此推薦使用獨(dú)立的柵極驅(qū)動電阻。

為了控制Miller效應(yīng)的影響，這個電阻一般控制在5到10Ω之間。如果開啟柵極電阻太大(如10到20Ω)，開啟的dV/dt速度就會降低，導(dǎo)致開關(guān)速度慢。如果轉(zhuǎn)換速度太慢，會出現(xiàn)開關(guān)損耗，但這一次是由于Miller效應(yīng)和潛在的柵極振蕩導(dǎo)致的。對于關(guān)斷來說，柵極需要盡快被拉低，因此柵極電阻通常是1和2Ω。

許多廠商都提供了門驅(qū)動芯片，這些芯片是十分有價值的，允許用戶為選定的GaN器件、轉(zhuǎn)換速度和其他因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。在這些驅(qū)動芯片中，來自TI的LMG1205可用于增強(qiáng)型GaN FET。它可以在同步的buck、boost或半橋配置中驅(qū)動晶體管的高側(cè)或低側(cè)。它為高端和低端提供獨(dú)立的輸入，以獲得最大的控制靈活性；峰值電流1.2A，峰值下降電流為5A以防止在轉(zhuǎn)換期間產(chǎn)生不必要開啟。門輸出具有很強(qiáng)的靈活性，可以獨(dú)立調(diào)整開啟和關(guān)斷電流。

輸入電壓兼容TTL電平，并且最大輸入電壓可以高達(dá)14V，而不考慮VDD軌電壓。同時，在高側(cè)/低側(cè)的應(yīng)用中，低傳播延遲和軌到軌的時鐘傾斜對效率也是至關(guān)重要的。LMG1205具有35ns的典型傳播延遲和1.5 ns傳播匹配延遲。

其他可用與GaN驅(qū)動的芯片還包括Silicon Labs的Si827x系列，Analog Devices的ADuM4223A/B系列，Maxim的max 5048c和TI的LM5113。此外，現(xiàn)有的、已經(jīng)廣泛使用的部分MOSFET驅(qū)動芯片也可以用在一些低頻率的GaN器件中。

成功不只來自于一個電路

每一個擁有高速電路設(shè)計經(jīng)驗的工程師都知道，電路和系統(tǒng)的優(yōu)化僅僅是系統(tǒng)成功的一部分。在GaN器件和電路中，控制和盡量減少從電源到柵極驅(qū)動回路的噪聲耦合是至關(guān)重要的。高dV/dt和di/dt，加上低輸入電容和門限值，很容易導(dǎo)致嚴(yán)重的噪聲。米勒效應(yīng)可能導(dǎo)致柵極振鈴或持續(xù)振蕩。其結(jié)果將導(dǎo)致晶體管錯誤的開啟或關(guān)閉，導(dǎo)致整個系統(tǒng)故障。

在許多可能的原因中，柵極振蕩經(jīng)常是由反饋路徑的雜散電感導(dǎo)致的，以及從電源到柵極回路或者通過柵極和漏極之間的米勒效應(yīng)電容耦合導(dǎo)致的。通常使用多層的方法來解決這些問題。

該技術(shù)包括通過布局來減少雜散電感；通過將門級驅(qū)動盡可能靠近GaN器件柵極來減小外部柵極到漏極的耦合；采用低電感，寬PCB板走線；使用開爾文源連接來最小化公共源電感；甚至擴(kuò)展到采用電隔離電源軌。其他方法包括調(diào)整柵極驅(qū)動電阻值以微調(diào)導(dǎo)通轉(zhuǎn)換速率；使用負(fù)偏壓（-3V）關(guān)斷；與柵極串聯(lián)加入鐵氧體磁珠，以減少高頻LC振鈴和過沖；并且可可以在柵源路徑上添加RC“緩沖器”。

結(jié)論

基于GaN的開關(guān)器件已經(jīng)真正的變得成熟。目前已經(jīng)擁有完善的生態(tài)系統(tǒng)，包括建模和仿真工具，必要的驅(qū)動芯片，應(yīng)用支持，現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗，并且擁有多個知名供應(yīng)商和初創(chuàng)企業(yè)。這些GaN器件的性能遠(yuǎn)超目前和在可預(yù)見的未來MOSFET能夠具有的。然而，GaN器件的高速度也意味著在使用時需要更合理周密的設(shè)計，如需要更多的考慮他們的柵極驅(qū)動，電壓和電流轉(zhuǎn)換速率，電流等級，噪聲源和耦合布局考慮因素對導(dǎo)通和關(guān)斷所帶來的影響。