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用集成驱动器优化GaN性能

本文摘要:氮化镓(GaN)晶体管的电源性能要高于硅MOSFET,因为在同等导通电阻的情况下,氮化镓(GaN)晶体管的终端电容较低,并防止了体二极管所造成的反向恢复损耗。正是由于这些特性,GaNFET可以构建更高的电源频率,从而在维持合理开关损耗的同时,提高功率密度和瞬态性能。 传统上,GaN器件被PCB为分立式器件,并由分开的驱动器驱动,这是因为GaN器件和驱动器基于有所不同的处置技术,并且有可能来自有所不同的厂商。 每个PCB将不会有引进宿主电感的焊线和引线,如图1a右图。

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氮化镓(GaN)晶体管的电源性能要高于硅MOSFET,因为在同等导通电阻的情况下,氮化镓(GaN)晶体管的终端电容较低,并防止了体二极管所造成的反向恢复损耗。正是由于这些特性,GaNFET可以构建更高的电源频率,从而在维持合理开关损耗的同时,提高功率密度和瞬态性能。  传统上,GaN器件被PCB为分立式器件,并由分开的驱动器驱动,这是因为GaN器件和驱动器基于有所不同的处置技术,并且有可能来自有所不同的厂商。

每个PCB将不会有引进宿主电感的焊线和引线,如图1a右图。当以每纳秒数十到几百叱电压的高压摆率展开转换时,这些宿主电感不会造成开关损耗、振铃和可靠性问题。  将GaN晶体管与其驱动器构建在一起(图1b)可以避免共源电感,并且很大减少驱动器输入与GaN栅极之间的电感,以及驱动器短路中的电感。

在这篇文章中,我们将研究由PCB宿主效应所引起的问题和容许。在一个构建PCB内对这些宿主效应展开优化可以增加该问题,并且以低于100V/ns的高压摆率构建出众的电源性能。

    图1.由独立国家PCB内的驱动器驱动的GaN器件(a);一个构建GaN/驱动器PCB(b)。    图2.用作建模的半桥电路的修改图  建模设置为了建模宿主电感效应,我们用于了一个使用必要驱动配备的空乏型GaN半桥功率级(图2)。

我们将半桥设置为一个升压转换器,总线电压480V,杀区时间50ns时50%频率(输入电压[VOUT]=240V),以及一个8A的电感器电流。这个GaN栅极在电源电压电平间被必要驱动。一个阻性驱动原作GaN器件的接上力挂亲率。

一个电流源只不会建模一个与倒数传导模式升压转换器内电源(SW)节点所相连的电感阻抗。共源电感高速电源中最重要的一个宿主要素是共源电感(图1a中的Lcs),它容许了器件吸取电流的压摆亲率。

在传统的TO-220PCB中,GaN源由焊线流至引线,而吸取电流与栅极电流都从这里流到。这个共源电感在吸取电流转变时调制栅源电压。

共源电感不会低于10nH(其中还包括焊线和PCB引线),从而容许了压摆率(di/dt),并减少开关损耗。利用图1b中右图的集成式PCB,驱动器短路必要焊至GaN裸片的源焊垫。这个Kelvin源相连最大限度地延长了电源环路与栅极环路共用的共源电感路径,从而使得器件需要以低很多的电流压摆率来电源。

可以将一个Kelvin源插槽加到到一个分立式PCB内;然而,这个额外的插槽不会使其沦为一个不标准的电源PCB。Kelvin源插槽还必需从印刷电路板(PCB)引回至驱动器PCB,从而减少了栅极环路电感。    图3.有所不同共源电感情况下的高管接上:红色=0nH,绿色=1nH,蓝色=5nH。

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E_HS是低管器件的VDS和IDS在运行时间内的分数值(能耗)。  图3表明的是低管电源接上时的硬电源波形。

在共源电感为5nH时,由于源降级效应,力挂亲率减为。一个更加较低的压摆亲率不会带给更长的切换时间,造成更高的交叉传导损耗,如能耗曲线图中右图。在共源电感为5nH时,能量损耗从53霬减少至85霬,减少了60%。

假设电源频率为100kHz,功率损耗则不会从从5.3W减少至8.5W。  栅极环路电感栅极环路电感还包括栅极电感和驱动器短路电感。栅极电感是驱动器输入与GaN栅极之间的电感。

在用于独立国家PCB时,栅极电感还包括驱动器输入焊线(Ldrv_out)、GaN栅极焊线(Lg_gan)和PCB迹线(Lg_pcb),如图1a中右图。基于有所不同的PCB尺寸,栅极电感不会从紧凑型表面贴装PCB(例如,四方扁平无引线PCB)的几纳亨到有引线功率PCB(例如TO-220)的10nH以上。

如果驱动器与GaNFET构建在同一个引线框架内(图1b),GaN栅极必要焊到驱动器输入上,这样可以将栅极电感增加至1nH以下。PCB构建还可以很大地减少驱动器短路电感(从图1a中的Ldrv_gnd+Ls_pcb到图1b中的Lks)。


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