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如何设计GAN MOS驱动电路

1.设计背景

硅功率器件性能的发展已达到了极限,高频化和小型化是开关电源的发展方向。与传统的硅功率器件相比,宽禁带功率半导体的性能要出色得多,碳化硅和氮化镓是其中最具代表性的功率半导体器件。但由于氮化镓功率器件的性能研究还不够完善,器件制造商提供的特性数据有限,所以有必要对氮化镓功率器件的性能进行进一步的研究。

GaN 功率器件采用的是高电子迁移率晶体管结构,开关过程很快,可实现非常高的开关频率。相比较于 SiC 主要用于处理较大电力耐压 600 V 以上的用途,GaN 功率器件则主要用于耐压 600 V 以下,或要求数百 kHz 以上的高速开关的用途[1]GaN 功率器件禁带宽度大,击穿强度高,相比于传统的硅功率器件,在耐压相同的情况下,裸片体积要小的多,寄生电容小,有助于提高开关速度。由于 GaN 的导通电阻小,采用 MOSFET 结构,耐压更高且开关速度更快,所以开关损耗也要小的多,大部分情况下 0402 0603 的贴片封装都可以用。氮化镓晶体管正向和反向导通都依靠二维电子导电,不存在少子的存储效应,理论上没有反向恢复。

2009 6 EPC 首次推出增强型硅基氮化镓场效应晶体管,期望于替代功率 MOSFET2013 Transform 公司推出 600 V 系列 Cascode 增强型 GaN 晶体管,2015 GaN System 公司推出 100 V 650 V 两种耐压等级的 GaN 晶体管。GaN System 公司研发出世界上最小的 650V/15A 的氮化镓晶体管,尺寸仅 5.0 mm × 6.5 mm,比同类产品的尺寸缩小 50% [2]。但目前整体上氮化镓功率器件的发展仍处于起步阶段,针对GaN System公司的氮化镓芯片研究较少,所能参考的特性数据也非常有限,本文以GaN System GS66502B 芯片为研究对象,分析其动态特性,设计驱动电路,并针对出现的电压尖峰进行吸收,使其在高频下可靠工作。

2.基本原理

2.1驱动原理

GaN SystemGS66502B 氮化镓晶体管是650V/7A 增强型功率器件,栅源极电压范围为−10 V~+7 V。相对于 EPC 系列的氮化镓晶体管的−4 V~6 V,具有更宽的输入范围。GS66502B 几乎没有开关损耗和反向续流二极管损耗,虽然体内没有二极管,但有二极管的特性[3]。即 GaN 增强型晶体管反向导通具有等效“二极管”的特性,它与门极电压有关。不需要外部的反并联二极管,反向恢复性能优良,硬开关效率高。

针对 GaN 晶体管的栅极电压需要严格控制的要求,TI 研制了专用的 GaN 栅极驱动芯片 LM5114,可将驱动电压进行严格控制,输出电压范围可在 4 V~12 V 之间可调。LM5114 可驱动一个单体增强型氮化镓晶体管,具有独立拉灌输出功能[4]。独立拉灌输出功能可通过改变各自通道上的驱动电阻,分别控制开通和关断时间,可避免采用同一驱动电阻时对关断通道造成的不良影响。

1 Si MOSFET 器件常用的驱动电路,常用的驱动电路一般只使用一个 VO 输出引脚。当驱动信号为高电平时,反并联二极管 D1 截止,驱动器的 VCC 通过驱动电阻 RGON 给开关管的结电容进行充电。当驱动信号为低电平时,反并联二极管 D1 导通,反并联二极管产生的导通压降加在栅源极之间。由于氮化镓功率器件的阈值电压很低,GS66502B 的阈值电压只有 1.5 V,如果采用拉灌共用输出的驱动电路将会导致栅源极电压超过阈值电压,造成晶体管关断失败。为实现与共用输出引脚电路相同的驱动功能,同时也为了避免二极管的使用,可采用开通和关断独立输出的驱动电路,如图 2 所示。


Figure 1. Driving circuit for common output of pullirrigation

1. 拉灌共用输出的驱动电路

Figure 2. Driving circuit for independent pull irrigationoutput

2. 独立拉灌输出的驱动电路

2.2驱动电路设计

   开通电阻控制开通的转换速率,但是太大的开通电阻会降低开关速率增加损耗,太小的开通电阻则开关速度很大,会使开关损耗也增大,这是由于米勒产生可能的门极振荡。关断电阻常用的开通阻值范围为 1~2 Ω,可为氮化镓晶体管提供强大快速的门极驱动下拉。而对于反向的 dv/dt,逆向的米勒电流,要有一个低阻抗通路用来减少反向的门极尖峰电压和由 LC 谐振引起的后面的振铃。所以选择合适的门极电阻,氮化镓晶体管的速度就可以被门极电阻很好的控制。关键是选好合适的 RG(ON) RG(OFF)有助于驱动性能的稳定。本文选取 LM5114 作为 GS66502B 氮化镓器件的驱动芯片,设计基本的驱动电路,开通电阻 5.1 Ω,关断电阻 1.8 Ω,如图 3

Figure 3. Double pulse test circuit using LM5114

3. 采用 LM5114 的双脉冲测试电路

2.3辅助电源设计

   由于氮化镓功率器件的驱动电压不同于普通 Si MOSFET,所用的 LM5114 的供电电压也不一样,所以在变换器应用中需要提供辅助电源实现驱动芯片的供电。对于 GS66502B,栅源极电压范围为−10 V~+7 V,开通最佳值为 6 V,所以需要额外的 6 V 供电电压。本文设计了一种基于 LNK306PN 220 V 6 V的辅助电源电路,可以给 GS66502B 提供 6 V 的辅助电源供电,如图 4 所示。

2.4双脉冲原理

   双脉冲测试的原理是驱动电路发出一宽一窄两个脉冲,氮化镓晶体管开通关断两次。在 t1 时刻,宽脉冲到来,VGS 升高,氮化镓晶体管降至通态电压,主电路直流电源两端电压几乎全部加在电感上面,电感电流线性升高,此时氮化镓晶体管的导通电流 ID 等于电感电流 IL。在 t2 时刻,宽脉冲结束,VGS 降为零,晶体管关断的同时与等效二极管开始换流,电感电流几乎保持不变。在 t3 时刻,窄脉冲到来,电路中电流已达到一定值,所以可以有效测试氮化镓晶体管带负载开通的能力,并观察其与等效二极管换流

的情况。而 t3 t4 时刻,电流 ID IL继续线性上升,直到第二次关断后电感中储存的能量完全消耗。

Figure 4. Auxiliary power circuit

4. 辅助电源电路

随着技术的发展,越来越多的GAN MOS驱动电路出现。不少厂家为了大家设计方便,直接将GAN驱动电路采用一个集成IC来做,这样既方便了大家设计,也为后续量产驱动电路一致性,可靠性提供了保障。也能最大地发挥GAN MOS势。


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