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來源：富昌電子 作者：Riccardo Collura，EMEA 垂直部門經(jīng)理（電源），富昌電子 為硅 MOSFET 或 IGBT 設(shè)計柵極驅(qū)動電路時，工程師總是必須對長期的成本/性能權(quán)衡做出精確判斷。設(shè)計人員對所選開關(guān)的特定特性的理解有助于做出決策，例如是使用隔離式驅(qū)動器還是非隔離式驅(qū)動器，以及應(yīng)用中可接受的最大傳播延遲。開發(fā)這些電路的數(shù)十年經(jīng)驗提供了豐富的專業(yè)知識、文獻和最佳實踐可供借鑒。 但適用于硅晶體管的設(shè)計指南不能直接應(yīng)用于新一代寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體的柵極驅(qū)動電路：碳化硅 (SiC) MOSFET 和氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT)。 本文借鑒富昌電子在開發(fā)用于無橋圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC) 系統(tǒng)的 GaNdalf 參考設(shè)計板和 TobogGaN 超緊湊型 60 W AC-DC 轉(zhuǎn)換器時的經(jīng)驗，提供了為 WBG 半導(dǎo)體選擇分立柵極驅(qū)動器時的潛在陷阱的應(yīng)對方案。 影響柵極驅(qū)動器性能的關(guān)鍵參數(shù) 設(shè)計人員通常會研究數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的少量關(guān)鍵參數(shù)，以衡量分立式柵極驅(qū)動器的性能。這些參數(shù)包括： · 負輸入/輸出電壓處理：這表明了存在由非理想電路板布局產(chǎn)生的寄生電容和電感的情況下，電路對地平面反彈噪聲的敏感程度。 · 傳播延遲：延遲越短，對控制信號的響應(yīng)越快。這會嚴重影響高頻開關(guān)應(yīng)用中的性能。例如，過長的傳播延遲會破壞初級側(cè)驅(qū)動器和次級側(cè)同步整流驅(qū)動器的時序。 · 延遲匹配：在用于驅(qū)動多個并聯(lián)開關(guān)的雙通道柵極驅(qū)動器中，更好的延遲匹配有助于提高電路的穩(wěn)健性和可靠性。 · 工作溫度范圍：較高的最高工作溫度使其可承受在較高環(huán)境溫度下的較高功耗。 圖 1 展示了硅功率開關(guān)（MOSFET 和 IGBT）以及 WBG 半導(dǎo)體的這些參數(shù)的典型值。很明顯，硅和 WBG 器件之間的關(guān)鍵參數(shù)存在一些實質(zhì)性差異，甚至 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 也是如此。SiC MOSFET 和 GaN HEMT 可以在比標(biāo)準(zhǔn)硅器件高十倍的頻率下工作，并且可以承受更高的溫度，同時產(chǎn)生更低的開關(guān)和傳導(dǎo)損耗。這些特性對電動汽車充電器、USB Type-C® 電源適配器、太陽能逆變器等應(yīng)用的設(shè)計人員極具吸引力：在所有這些應(yīng)用中，使用 WBG 開關(guān)可以開發(fā)出更小、更輕、更高效的電源電路。 
圖 1：各種類型電源開關(guān)的典型規(guī)格（圖片來源：富昌電子） WBG 驅(qū)動器的設(shè)計要求 硅和 WBG 開關(guān)的較大差異意味著 WBG 器件需要專用的柵極驅(qū)動器。對 WBG 器件需求的增長正促使 WBG 器件制造商在柵極驅(qū)動器上加大投資，以補充其開關(guān)產(chǎn)品。更多供貨和產(chǎn)品選擇使市場更具競爭力，從而減少了這些專用器件的溢價。 那么哪些問題決定了如何為 SiC MOSFET 或 GaN HEMT 選擇合適的柵極驅(qū)動器？ 第一個要考慮的問題是器件用于哪種拓撲結(jié)構(gòu)。對于 DC-DC 功率級中的 LLC 電路等軟開關(guān)拓撲，不一定需要隔離驅(qū)動器，可以使用更經(jīng)濟的非隔離驅(qū)動器。 對于硬開關(guān)拓撲，例如 GaNdalf 參考設(shè)計中的無橋圖騰柱 PFC 系統(tǒng)，情況有所不同。這里推薦使用隔離式柵極驅(qū)動器，至少在高邊開關(guān)中使用。 對于半橋拓撲，半橋（雙）柵極驅(qū)動器通過將橋的高邊和低邊驅(qū)動器集成在一個封裝里以節(jié)省空間。然而，有時兩個單通道驅(qū)動器為設(shè)計人員提供了更大的靈活性。在開關(guān)頻率高于 150 kHz 的應(yīng)用中，使用兩個驅(qū)動器有助于降低共模噪聲。 GaN HEMT 驅(qū)動器的選擇取決于它是兩種類型中的哪一種：級聯(lián)型更易于驅(qū)動，因為它具有集成的低壓硅 FET。柵極驅(qū)動器驅(qū)動這個 FET，而不是 GaN 器件本身，因此用于硅器件的標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)濟的柵極驅(qū)動器是合適選擇。缺點是這種低壓 FET 會增加輸出電容，從而限制了開關(guān)速度 (dv/dt)，導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗。 另一種類型是增強型（e 型）GaN HEMT。它需要一個專用的 GaN 柵極驅(qū)動器，下面會詳細介紹。 用于 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動器 設(shè)計工程師最終為 SiC MOSFET 選擇專用柵極驅(qū)動器的原因之一是每個 MOSFET 制造商都推薦不同的柵-源電壓來驅(qū)動他們的產(chǎn)品。一些制造商會建議用戶用負電壓驅(qū)動他們的 SiC MOSFET。這可確保器件完全關(guān)斷，并消除了在有低柵-源電壓閾值的器件中出現(xiàn)虛假導(dǎo)通的風(fēng)險。對于其他人來說，關(guān)斷器件不需要負電壓，因為它們具有更高的柵-源電壓閾值。 在評估驅(qū)動器時，數(shù)據(jù)手冊可說明 SiC MOSFET 的工作方式。研究的主要參數(shù)是： · 不同溫度下的傳輸特性 Id = f(Vgs) · 不同柵源電壓 Vgs 下的輸出特性 Id = f(Vds) · 不同 Vgs 下的漏源導(dǎo)通電阻 Rds(on) = f(Id) 事實上，柵-源電壓對導(dǎo)通電阻有很大影響：根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，有時導(dǎo)通電阻較低的 SiC MOSFET 最終會導(dǎo)致較高的傳導(dǎo)損耗，僅僅是因為沒有采用推薦的柵-源電壓。 開關(guān)損耗也受到電源系統(tǒng)設(shè)計的強烈影響。電容導(dǎo)通是 SiC MOSFET 中高開關(guān)損耗的常見原因。如果與器件電容比相關(guān)的感應(yīng)柵-源電壓高于標(biāo)稱閾值電壓，則電容導(dǎo)通的風(fēng)險較高，如圖 2 所示。當(dāng)閾值電壓高于感應(yīng)柵-源電壓時，設(shè)計人員應(yīng)尋求一個積極的平衡，以保護器件免受寄生導(dǎo)通的危害。
圖 2：SiC MOSFET 中的電容導(dǎo)通效應(yīng)（圖片來源：英飛凌） 為快速開關(guān) SiC MOSFET 選定柵極驅(qū)動器時需要注意的另一個問題是噪聲。需要考慮的一個重要參數(shù)是柵-漏電容 Cgd。當(dāng)高柵-漏電容與低閾值電壓相結(jié)合時，MOSFET 可能容易受到米勒導(dǎo)通效應(yīng)的影響。此外，由于器件固有電容引起的電壓耦合會導(dǎo)致不良的開關(guān)波形和不良的交叉?zhèn)鲗?dǎo)效應(yīng)。 有一個補救措施：富昌電子的建議是查看 SiC MOSFET 的數(shù)據(jù)手冊中柵-漏電容的額定值，以及柵-源電容與柵-漏電容的比率。如果柵-漏電容相對較高，可能需要選擇具有米勒鉗位功能的柵極驅(qū)動器。在柵-源電容和柵-漏電容之比較低的情況下，最好使用外部電容器提高柵-源電容。 富昌電子卓越工程中心使用 GaNdalf 開發(fā)平臺進行的評估表明，具有米勒鉗位功能的驅(qū)動器與額外的柵-源電容相結(jié)合，改善了開關(guān)性能和系統(tǒng)的整體運行，顯著提高了效率并改善了開關(guān)波形，降低了總諧波失真。 經(jīng)驗表明，使用專用 SiC 柵極驅(qū)動器可實現(xiàn)最佳性能。不過，可以選擇更簡單、更經(jīng)濟的柵極驅(qū)動器：在這種情況下，設(shè)計人員必須實施外部電路來調(diào)節(jié) SiC MOSFET 的運行，否則系統(tǒng)可能會遇到嚴重的熱問題，從而導(dǎo)致效率降低和 EMI 增加。 增強模式 GaN HEMT 的柵極驅(qū)動器 增強模式 GaN HEMT（例如英飛凌的 CoolGaN™ 系列）具有低閾值電壓，通常為 1.2 V，在 8 V 驅(qū)動電壓下，峰值柵極驅(qū)動電流通常小于 1 A。為使器件保持在導(dǎo)通狀態(tài)，需要 5 mA 至 10 mA 的穩(wěn)態(tài)電流。 負柵-源電壓可關(guān)斷 HEMT，從柵極吸收電流峰值。然后電壓恢復(fù)為 0 V，并在較長時間間隔后恢復(fù)為負值，以保持關(guān)斷狀態(tài)，如圖 3 所示。
圖 3：GaN HEMT 在開關(guān)周期內(nèi)的電壓和電流波形（圖片來源：英飛凌） 選擇能夠配置這些操作時序的驅(qū)動器非常重要：這可以避免損害 HEMT 的風(fēng)險，因為柵-源電壓上的單個過沖可能會永久損壞器件。 集成式驅(qū)動器和HEMT的優(yōu)勢 在大多數(shù)低功率應(yīng)用中，即功率小于 1 kW 的應(yīng)用中，驅(qū)動器通常與 GaN HEMT 集成。單個封裝簡化了電路板布局并減少了高頻開關(guān)產(chǎn)生的 EMI 泄漏到系統(tǒng)其余部分。 這種集成器件的示例是 Power Integrations 的 InnoSwitch™3 和 InnoSwitch4-CZ，適用于高達 100 W 的應(yīng)用。這些器件集成了額定電壓高達 750 V 的 PowiGaN HEMT、準(zhǔn)諧振功率控制器、無需光耦合器的 FluxLink™ 接口，以及同步整流控制器。 設(shè)計人員可以使用這些器件實現(xiàn)非常高的功率密度：富昌電子的 TobogGaN 板是一款 60 W AC-DC電源，尺寸為 58 mm x 49 mm x 32 mm，功率密度為 20 W/in3。該板的核心是 Power Integrations 的 InnoSwitch3-Pro。 另一種選擇是意法半導(dǎo)體的 MasterGaN® 平臺，適用于高達 500 W 的軟開關(guān)拓撲。 此外，英飛凌的 CoolGaN 集成功率級 (IPS) 將 CoolGaN 600 V 增強模式 GaN 開關(guān)與采用熱增強 QFN 封裝的專用 EiceDRIVER™ 柵極驅(qū)動器配對。該 IPS 器件提供單通道和半橋配置。 用于匹配驅(qū)動器和開關(guān)的成熟技術(shù) 本文表明，在為 SiC MOSFET 或 GaN HEMT 選擇柵極驅(qū)動器時需要格外小心，但如果實施得當(dāng)，基于 WBG 半導(dǎo)體的電源系統(tǒng)能夠以低于硅的成本提供更高的性能和可靠性。 用于 SiC MOSFET 的柵極驅(qū)動器需要仔細檢查數(shù)據(jù)手冊中的值，并注意寄生導(dǎo)通事件的風(fēng)險，而 GaN HEMT 的用戶則可以在多種集成式驅(qū)動器/開關(guān)封裝中進行選擇，它們在為中低功率應(yīng)用選擇合適的驅(qū)動器時提供了現(xiàn)成的解決方案。 開發(fā)板 開發(fā)板名稱：GaNdalf II 開發(fā)板制造商：富昌電子 說明：GaNdalf II 板為基于英飛凌最新 CoolGaN 增強型功率晶體管設(shè)計無橋功率因數(shù)校正電路提供了適應(yīng)性強且靈活的方案。GaNdalf II 提供高于 99% 的峰值效率和低于 5% 的總諧波失真，是驅(qū)動高達 2 kW 負載的高效電源轉(zhuǎn)換設(shè)計的理想起點。 開發(fā)板名稱：TobogGaN 開發(fā)板制造商：富昌電子 說明：60 W TobogGaN 參考設(shè)計板是用于工業(yè)和通信輔助電源的完整 AC-DC 轉(zhuǎn)換器。它也適用于任何需要高效率、小尺寸的通用應(yīng)用或可在多個終端產(chǎn)品中使用單一設(shè)計的靈活性。 開發(fā)板的核心是 Power Integrations 的 InnoSwitch™3-Pro，這是一款高度集成的反激式控制器，可減少元器件數(shù)量并節(jié)省電路板空間。 附錄：術(shù)語表 閾值電壓：柵極電容充電到器件剛好導(dǎo)通時的最低電壓。 共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI)：隔離式柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵規(guī)范，它是施加在兩個隔離式電路之間的共模電壓的最大可容忍上升或下降速率。通常以 kV/μs 或 V/ns 為單位。高 CMTI 意味著發(fā)射器側(cè)和接收器側(cè)的兩個隔離電路將在數(shù)據(jù)手冊規(guī)范內(nèi)正常工作。 負柵極驅(qū)動電壓：高壓 MOSFET 一般不需要，有時用于 IGBT。大多數(shù) SiC 和 GaN 開關(guān)肯定需要它。 米勒鉗位：一種低阻抗開關(guān)，可重定向由 dv/dt 感應(yīng)的電流。米勒鉗位通過將 MOSFET 的柵極連接到地或連接到負電壓軌，使器件保持在關(guān)斷狀態(tài)。 DESAT：最常見的過流保護電路。它是許多應(yīng)用的默認選擇，因為它易于實現(xiàn)。 自舉電路：由開關(guān)、電容和二極管組成的升壓電荷泵，將一個等于開關(guān)電壓（Vin）和內(nèi)部電源電壓之和的電壓用作高邊 N 溝道 MOSFET 的柵極驅(qū)動。 死區(qū)時間：兩個器件都無動作的時間段，以避免半橋配置中出現(xiàn)任何潛在的同時導(dǎo)通。有幾個因素會影響死區(qū)時間設(shè)置：脈沖寬度失真、傳播延遲以及上升和下降時間。保持最小死區(qū)時間以提高轉(zhuǎn)換器效率非常重要。在死區(qū)時間內(nèi)，電流流過體二極管。體二極管的電壓降比器件本身大得多，因此導(dǎo)通損耗也更高。死區(qū)時間越長，損耗就越高，從而降低效率并產(chǎn)生熱量。因此，最好通過使用具有低脈寬失真、低傳播延遲和較短上升和下降時間的柵極驅(qū)動器來最小化死區(qū)時間。 脈寬失真：由上升沿和下降沿的傳播延遲不匹配決定。 傳播延遲：柵極驅(qū)動器的關(guān)鍵參數(shù)之一，它會影響高頻系統(tǒng)的損耗和安全性。它被定義為從輸入變化 50% 到輸出變化 50% 的時間延遲。這種延遲會影響器件之間的切換時序，這在死區(qū)時間或器件之間的關(guān)斷時間有限的高頻應(yīng)用中至關(guān)重要。 欠壓鎖定 (UVLO)：監(jiān)控柵極驅(qū)動器的電源引腳，以確保電壓保持在某個閾值以上，從而保持正常運行。 |
