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氮化镓（GaN）功率器件越来越受硅功率器件的欢迎，因为其更快的开关能力可以提高整体系统效率并减小尺寸和成本。由于GaN生产的增加，技术优势和较低的成本增加了其在工业电源和可再生能源逆变器等应用中的应用。 Broadcom公司（前身为Avago Technologies）门驱动光电耦合器广泛用于驱动硅基半导体，如IGBT和功率MOSFET。光耦合器用于在控制电路和高压之间提供增强的电流绝缘。抑制高共模噪声的能力将防止在高频切换期间功率半导体的错误驱动。本文将讨论GaN的优势，栅极驱动要求，栅极驱动设计，测试和性能。 GaN的优点 氮化镓是一种宽带隙（3.4 eV）化合物，由镓和氮组成。带隙是指在没有电子的材料的连接处形成的区域。宽带隙GaN具有高击穿电压和低导通电阻。它具有更高的电子速度和更低的寄生电容，从而提高了其开关速度。 GaN相对于硅的优势可归纳为3个要点： · 较小的系统设计 · 降低系统成本 · 更高的系统效率 图1.硅与GaN的关系。GaN系统体积更小，系统成本更低。 较小和较低的成本是外围组件越来越少的结果。GaN可以在反向导通模式下工作，这可以消除外部续流二极管。它可以在高频下工作，从而产生更小的滤波器和磁性元件，如电感器和变压器。GaN的工作温度比硅低60°C，这将有助于减小散热器的尺寸。 图2.硅与GaN的关系。GaN显示出更高的系统效率。 更高的效率是更低的开关和传导损耗的结果。GaN具有更高的电子速度和更低的寄生电容，可实现低开关损耗。在相同的击穿电压下它的尺寸也比硅小，因此导电电阻较低。 图3. GaN的类型和栅极驱动要求 图3显示了不同类型的GaN及其栅极驱动要求。例如，品牌E生产200V GaN，主要用于12V DC-DC转换器等低压应用。品牌T生产600V GaN，但是常开关。它需要采用共源共栅连接的低压硅MOS，将其转换为常关开关，使用起来更安全。由于共源共栅结构，不能通过调节栅极电阻来控制开关速度。这将导致微调EMI（电磁干扰）和开关损耗的复杂性。 Panasonic和GaN Systems通过在栅极下使用P型势垒结构制造常关开关，以在0V栅极偏置期间耗尽高迁移率电子。由于高电子迁移率，GaN的阈值VTH相对低于硅MOS或IGBT。输入电容也非常小，小于1nF，只需要5nC即可开启。 GaN开关速度非常快，在设计高开关dv / dt时应该小心。控制从GaN到栅极驱动器的高dv / dt噪声耦合非常重要。 否则，要求栅极驱动器必须具有大于100kV /μs的抗扰度，以防止GaN的错误切换。 由于松下和GaN系统的GaN器件通常关闭且易于使用，因此栅极驱动要求与硅MOS非常相似。松下GaN具有坚固的栅极，允许12V的高栅极电压快速导通栅极。GaN Systems建议使用6V电压为栅极充电。由于所需的栅极电容和栅极电荷较小，所需的栅极电流相对较低，低于1.5A。 对于Panasonic GaN，需要注意的一点是栅极需要大约10mA的直流保持电流才能使其保持在“ON”状态。对于GaN系统，需要特别注意确保不超过7V的绝对最大栅极电压。 松下GaN的栅极驱动设计 图4显示了采用Panasonic600V70mΩX-GaN晶体管PGA26E07BA的半桥评估板。栅极驱动采用两个栅极驱动光电耦合器ACPL-P346设计，可直接驱动GaN晶体管。 图4.采用Panasonic GaN和ACPL-P346的半桥评估板 ACPL-P346是一款基本栅极驱动器光电耦合器，用于隔离和驱动在高DC总线电压下工作的GaN。它具有轨到轨输出，最大输出电流为2.5A，可快速切换高压和驱动电流，有效可靠地导通和关断GaN。ACPL-P346的最大传播延迟时间小于110ns，典型的上升和下降时间约为8ns。需要非常高的CMR，100kV /μs（最小值）的共模抑制，以隔离高频操作期间的高瞬态噪声。 图5显示了半桥评估板和ACPL-P346栅极驱动器设计的原理图。GaN晶体管QB和QA将需要大约12.5mA的导通电流来连续地将晶体管偏置在导通状态。这是由栅极驱动器通过680欧姆电阻RB1和RA1完成的。 图5.采用Panasonic GaN和ACPL-P346的半桥评估板示意图 用于快速接通GaN的初始浪涌充电电流由ACPL-P346提供，峰值电流由电阻器RB2和RA2限制。电容器CB3和CA3用于通过瞬间增加充电电流来更快地导通GaN。该板具有灵活性，可通过顶部和底部桥接器的2个隔离DC-DC电源或带有自举的1个DC-DC供电。 GaN系统GaN的栅极驱动设计 图6显示了另一个半桥评估板，采用GaN Systems的650V E-HEMT GS66508T（30A /50mΩ）GaN晶体管。半桥评估板使用两个栅极驱动光电耦合器ACPLP346直接驱动GaN晶体管。原理图显示了底部桥栅极偏置和驱动电路。顶桥使用相同的电路。隔离式DC-DC，5V-10V转换器用于提供+ 6V和-4V双极栅极驱动偏置，以实现更强大的栅极驱动和更好的抗噪性。然后使用6.2V齐纳二极管将10V分压为+ 6.2V和-3.8V偏压。ACPL-P346栅极驱动输出是10Ω栅极限流电阻（用于充电）和10Ω并联2Ω加上二极管放电的组合。 图6.采用GaN Systems GaN和ACPL-P346的半桥评估板 图7.用于GaN系统半桥评估板的ACPL-P346栅极驱动电路的原理图 GaN半桥评估板测试与性能 使用Panasonic和GaN Systems的半桥评估板，对GaN和ACPL-P346进行了压摆率，开关功率损耗和效率测试。 图8.压摆率和开关功率损耗测试设置和波形 在VDC +和VSW之间连接约120至160μH的电感器以形成升压配置，也称为低侧测试。低侧GaN晶体管Q2在升压模式下有效。400V总线电压施加于VDC + / VDC-。双脉冲测试用于在高电压和电流下轻松评估器件开关性能，而无需实际以高功率运行。 图9. Panasonic GaN和ACPL-P346压摆率测试 图10. GaN系统GaN和ACPL-P346转换速率测试 施加到Q2的第一脉冲TON1的周期定义了开关电流ISW。t1（关断）和t2（导通）是测量点，因为当Q2处于高开关应力时，它们是半桥电路的硬开关瞬变。 压摆率测试在400V DC和大约30A硬开关下进行。 在t1（关断）和t2（导通）分别测量Q2导通和关断转换速率（dv / dt）。当GaN硬度为400V，30A时，测得的最高压摆率超过110kV /μs。 ACPL-P346具有最小CMR，共模抑制为100kV /μs。换句话说，ACPL-P346可以隔离GaN开关的高瞬态dv / dt噪声。示波器图片显示GaN快速压摆率不影响栅极驱动输出和栅极电压。
图11.开关功率损耗测试设置和波形 开关损耗测试使用相同的升压配置，并安装了用于ID测量的电流传感器。相同的双脉冲信号和转换速率测试的定时用于功率损耗测量。当GaN在目标电流水平下开启或关闭时，在监测点处进行测量。示波器上的数学函数用于查找VDS和IDS的乘法。然后使用示波器上的测量功能来查找功率损耗，该功率损耗是曲线下面积。
图12.开关功率损耗测量 关断功率损耗用红线表示，无论电感负载电流如何，两种GaN功率损耗都保持在15μJ以下。导通功率损耗用蓝线表示，两个GaN在15A时都显示出约40μJ的低损耗。
图13.效率测试设置 半桥评估板作为DC-DC转换器连接，以测试硬开关操作中GaN的效率。Panasonic GaN DC-DC以升压200V至380V配置连接，而GaN Systems DC-DC以400V至200V降压配置连接（Q1导通以对电感器充电，并关闭以允许电感器电流继续通过输出电容器放电并通过Q2作为续流二极管）。两个转换器均以100 kHz频率，室温和不同功率测试的效率运行。 两种转换器都显示出大约99％的高转换效率。 参考 1. “具有轨到轨输出的ACPL-P346 / ACPL-W346 2.5安培输出电流功率和SiC MOSFET栅极驱动光电耦合器”，Broadcom Inc.，AV02-4078EN。 2. “ACPL-P346 Panasonic X-GaN晶体管PGA26E07BA半桥评估板”，Broadcom Inc.，ACPL-P346-X-GaNRM100。 3. “ACPL-P346 GaN Systems GaN E-HEMT GS66508T半桥评估板”，Broadcom Inc.，ACPL-P346-RefDesign-RM101。 4. “PGA26E07BA数据表”，松下半导体。 5. “GS66508T顶侧冷却650 V E模式GaN晶体管初步数据表”，GaN Systems。 6. “GaN增强模式HEMT的GN001应用指南设计”，GaN Systems。 |
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