用于 GaN 功率器件的集成栅极驱动器

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时间：2023-07-14 16:02:03

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用于 GaN 功率器件的集成栅极驱动器为了开发集成栅极驱动器，一组研究人员1在商用 650V GaN-on-Si 平台上实现了增强型 (E) 模式 GaN 功率开关和基于

为了开发集成栅极驱动器，一组研究人员1在商用 650V GaN-on-Si 平台上实现了增强型 (E) 模式 GaN 功率开关和基于 GaN 的栅极驱动器的单片集成。这种集成消除了额外的处理步骤，简化了制造过程。栅极驱动器采用低压 E/D 模式 HEMT 构成栅极驱动电路，通过整形和传输输入 PWM 信号实现控制。
为了实现可靠、高效的运行，我们考虑了多种设计因素。栅极驱动电压确定为6-7V，以确保电源开关完全导通。开启 GaN 功率晶体管所需的栅极电荷（即约 2 nC）明显低于硅晶体管，从而提高了效率。

在传统设计中，由于电源开关的充电过程，开关速度较慢。为了克服这一限制，在栅极驱动器中引入了电荷泵电路。这种方法确保了上拉充电晶体管的恒定电压（VGS），提高了充电速度并减少了栅极应力。新的栅极驱动器设计 Gen-II 展现了更高的驱动能力、轨到轨输出和高效的 GaN 功率器件开启，如图 1 所示。

图 1：代和第二代 GaN 功率器件电路的比较（1）。
图1：GaN功率器件电路Gen-1和Gen-2的比较（1）
栅极驱动器的芯片级特性表明其能够高效驱动 650V/130mΩ GaN 功率晶体管。栅极驱动器的静态电流约为 6 mA，从而实现的静态功耗。传播延迟测量表明，由于横向 GaN 功率器件具有优异的电流密度和较小的固有电容，因此快速开启和关闭时间分别仅为 2.9 ns 和 1.7 ns。
负栅极偏置可防止栅极源电容过度充电
在导通过程中，例如0至50伏，高峰值电流会在很短的时间内注入栅极节点，这可能导致栅源电容充电以及不必要的导通高侧晶体管。佩尔森解释了如何向栅极施加负偏压而不是零电压来防止栅源电容充电，从而确保高侧晶体管保持关闭状态。对于 650V HV GaN 晶体管，约 -2.5 至 -3 伏的负偏压足以实现所需结果并防止过度充电。

可以使用简单的 DC-DC 转换器来实现此类栅极驱动器。该转换器由可调节占空比振荡器或微控制器控制，提供包含所需负偏置的分流电源。调整占空比可以控制负偏压的幅度。DC-DC 转换器采用电容耦合方式，提供简单的解决方案，无需额外的稳压器或复杂的设计。图 2 显示了此类利用 DC-DC 转换器的栅极驱动器的示例配置，展示了英飞凌的紧凑设计，适合安装在小卡上。这种配置允许对高侧和低侧晶体管的栅极驱动器进行正偏压和负偏压。通过提供足够的负偏压，可以有效防止误开通，保证可靠运行。

图 2：负偏置电源的 DC-DC 转换器原理图和物理设计（Infineon Technologies）。
图 2：负偏置电源的 DC-DC 转换器原理图和物理设计（Infineon Technologies）
然而，应该注意的是，提供更多的负栅极偏压可以提供增加的余量并防止错误导通。尽管如此，它也会增加第三象限导通期间的二极管压降。因此，必须在提供足够的负偏压和保持高效运行之间取得平衡。
化电源环路电感作为设计 GaN 栅极驱动器的一步
Persson 强调，为了限度地减少电源环路电感，必须使用表面贴装封装，因为通孔元件需要在较低频率下运行，以减轻瞬时电感器电压的过冲。这限制了 GaN 的高频能力，因此表面贴装封装，这在图 2 中英飞凌设计的子卡中也可以注意到。另一种方法是注意电流流向何处，以化相互返回电流电感。
栅极驱动电流环路与主电流共享一条电感路径，主电流可能在数十安培的范围内，并通过路径的电感产生变化的电流（dI/dt）。这种变化的电流会在电感上感应出电压，这可能会影响所施加的栅极电压并导致开启和关闭时间变慢。它还可能导致振荡问题并影响系统的整体性能。因此，通过仔细设计电路的布局和布线，可以设计返回电流路径以化互感，并帮助设计用于 GaN 功率器件的高效栅极驱动器。