现在市面上动不动就有消息称某某公司研究出了氮化镓快充,氮化镓作为第三代半导体它具有了Si MOS无可比拟的优势,随着手机充电速度的不断提高,自然功率等级不断提高,另一方面用户体验也需要考虑,功率越大体积越大,所以必须要选用更高效的器件来缩小充电器的体积。那我们来看看,GaN的驱动设计与Si有哪些不同。【以GaN sysytem的GaN HEMTs为例】
与Si MOS的共同点:
1、真正的增强型器件(常闭型器件)
2、电压驱动
3、只需提供栅极漏电流Igss
4、能够通过驱动电阻Rg控制开关速度
5、与大部分Si MOS驱动芯片兼容
与Si MOS的差异:
1、极低的Qg:更低的驱动损耗;更快的开关速度
2、更大的跨导和更低的Vgs:需要-3~+6Vmax栅极偏置电压即可导通(负电压可可靠关断)
3、更低的Vg_th:典型值1.5V
目前各大半导体针对氮化镓的驱动芯片做了许多布局,大致如下:
当驱动电压Vdd高于6V时,需要负压生成电路吧Vgs转换成+6和-(Vdd-6)V,
650V驱动芯片:
100V/80V驱动芯片:
内部集成的GaN控制芯片:
一、单管GaN隔离驱动电路设计
在低电压、低功率,或者对死区损耗敏感的应用中,可以使用0V关断,在高频应用中需要加一个共模电感以抑制噪声,改善EMC。
1、开通/关断通道互相独立(Si8371)
2、开通/关断共通道(Adum4121)
当功率段来到1kw~100kw的单管驱动时,那我们需要采取负压关断,介绍一种EZDrive,
3、EZDrive
该电路由si8271隔离驱动,与自举电路兼容,可产生+6V/-3V驱动电压,负电压由图中47nF电容提供。
4、基于分压电路的驱动
带有分压电路的SI8271驱动电路,使得性能更加可靠且有益于PCB布局,负压Vgs由5.8V Zener和1k电阻分压所得。
5、数字隔离芯片+非隔离驱动芯片
图中驱动电路由数字隔离芯片SI8610和TI 的UCC27511非隔离驱动芯片组成,可产生+6V/-6V驱动电压,这种兼容非隔离驱动芯片,可以提高驱动输出电流能力,可应用于大功率,例如,电动汽车电机驱动、光伏逆变器等。
6、非隔离驱动电路
该电路主要是由UCC27511非隔离驱动芯片构成+6V/0V驱动,可以应用在单端口变换器,例如,Class E,反激、推完等电路。也可以与数字隔离器并用,驱动高边福地的开关管。
二、半桥/全桥的驱动电路设计
首先也是小功率应用中,我们最常见的自举驱动电路:
1、自举
该电路由安森美NCP51820自举驱动电路组成,Vgs=+6V/0V,该电路值得注意的是要选用Cj较低、反向恢复时间短的自举二极管,因为氮化镓应用频率都很高,反向恢复慢会导致驱动异常。
2、自举+EZDrive电路
NCP51530带有EZDrive的自举驱动电路,可提供Vgs=+6V/-3V的驱动电压,负电压由47nF电容提供,可通过外部驱动电阻调节开关速度来优化EMI,适用于小功率。
3、并联GaN驱动电路设计
一般有较大功率需求时,单片GaN可能满足不了大电流的应用,此时就可以使用两片GaN并联使用,但要注意驱动设计非常关键,要使得电流均衡,否者会引起热不平衡损坏器件。
这个是由TI UCC27511非隔离驱动电路构成的并联GaN驱动电路,可提供Vgs=+6V/0V的驱动电压。
同样,还有一个LM5113半桥自举驱动电路,也是Vgs+6V/0V驱动电压,且在并联驱动时要增加一个1欧姆的电阻,如图中红色标记所示,增加驱动线路的阻抗,减少因线路电感引起的震荡问题。
有几个问题需要搞清楚:
1、负压:可以增强噪声抗扰度,另外在大电流情况下,负压驱动可以降低开关损耗;
2、负压多少合适:驱动电压的幅值需要权衡关断损耗和死区损耗,在500W以上的应用,建议选择-3V的关断电压。