納芯微提供全場(chǎng)景GaN驅(qū)動(dòng)IC解決方案

一、E-mode GaN類(lèi)型與特點(diǎn)

不同于Cascode D-mode GaN通過(guò)級(jí)聯(lián)低壓Si MOS來(lái)實(shí)現(xiàn)常關(guān)型，E-mode GaN直接對(duì)GaN柵極進(jìn)行p型摻雜來(lái)修改能帶結(jié)構(gòu)，改變柵極的導(dǎo)通閾值，從而實(shí)現(xiàn)常斷型器件。

根據(jù)柵極結(jié)構(gòu)不同，E-mode GaN又分為歐姆接觸的電流型和肖特基接觸的電壓型兩種技術(shù)路線(xiàn)，其中電壓型E-mode GaN最為主流，下文將主要介紹該類(lèi)型GaN的驅(qū)動(dòng)特性和方案。

圖7 電壓型E-mode GaN結(jié)構(gòu)

這種類(lèi)型E-mode GaN的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)0V關(guān)斷、正壓導(dǎo)通，并且無(wú)需損害GaN的導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)特性。由于GaN沒(méi)有體二極管，不存在二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題，在硬開(kāi)關(guān)場(chǎng)合可以有效降低開(kāi)關(guān)損耗和EMI噪聲。然而，電壓型E-mode GaN驅(qū)動(dòng)電壓范圍較窄，一般典型驅(qū)動(dòng)電壓范圍在5~6V，并且開(kāi)啟閾值也很低，對(duì)驅(qū)動(dòng)回路的干擾與噪聲會(huì)比較敏感，設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)脑?huà)容易引起GaN誤開(kāi)通甚至柵極擊穿。

表1 E-mode GaN和Si Mos驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)比

*不同品牌的E-mode GaN柵極耐受負(fù)壓能力差別較大，有的僅能耐受-1.4V，有的可耐受-10V負(fù)壓。

在低電壓、小功率，或?qū)λ绤^(qū)損耗敏感的應(yīng)用中，一般可使用0V電壓關(guān)斷；但是在高電壓、大功率系統(tǒng)中，往往推薦采用負(fù)壓關(guān)斷來(lái)增強(qiáng)噪聲抗擾能力，保證可靠關(guān)斷。在設(shè)計(jì)柵極關(guān)斷的負(fù)壓時(shí)，除了需要考慮GaN本身的柵極耐壓能力外，還需要考慮對(duì)效率的影響。如下表所示，這是因?yàn)镋-mode GaN在關(guān)斷狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)電流的反向流動(dòng)即第三象限導(dǎo)通，但是反向?qū)▔航岛蜄艠O關(guān)斷的負(fù)壓值相關(guān)，用于柵極關(guān)斷的電壓越負(fù)，反向壓降就越大，相應(yīng)的會(huì)帶來(lái)更大的死區(qū)損耗。一般，對(duì)于500W以上高壓應(yīng)用，特別是硬開(kāi)關(guān)，推薦-2V~-3V的關(guān)斷負(fù)壓。

表2 GaN/Si MOS/IGBT 不同狀態(tài)下電流路徑

二、E-mode GaN驅(qū)動(dòng)方案

一）分壓式方案

E-mode GaN可以采用傳統(tǒng)的Si MOS驅(qū)動(dòng)器來(lái)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，需要通過(guò)阻容分壓電路做降壓處理。如圖8所示驅(qū)動(dòng)電路，開(kāi)通時(shí)E-mode GaN柵極電壓被Zener管穩(wěn)壓在6V左右，關(guān)斷時(shí)被Zener管的正向?qū)妷恒Q位在-0.7V左右。因此，GaN的開(kāi)通和關(guān)斷電壓由Dz決定，和驅(qū)動(dòng)器的供電電壓無(wú)關(guān)。

圖8 E-mode GaN 的阻容分壓驅(qū)動(dòng)電路，0V關(guān)斷

更進(jìn)一步的，如果在Dz的基礎(chǔ)上，再反向串聯(lián)一個(gè)Zener管，那么就可以實(shí)現(xiàn)負(fù)壓關(guān)斷。

圖9 E-mode GaN 的阻容分壓驅(qū)動(dòng)電路，負(fù)壓關(guān)斷

如圖10所示，為NSD1624采用10V供電，通過(guò)阻容分壓的方式用于驅(qū)動(dòng)E-mode GaN的典型應(yīng)用電路。同樣的，隔離式驅(qū)動(dòng)器NSI6602V/NSI6602N、NSI6601/NSI6601M也可以采用這種電路，用于驅(qū)動(dòng)E-mode GaN。對(duì)于阻容分壓電路的原理與參數(shù)設(shè)計(jì)在E-mode GaN廠(chǎng)家的官網(wǎng)上都有相關(guān)應(yīng)用筆記，在此不展開(kāi)詳解。

圖10 NSD1624 阻容分壓式驅(qū)動(dòng)電路，負(fù)壓關(guān)斷

盡管阻容分壓式驅(qū)動(dòng)電路，可以采用傳統(tǒng)的Si MOSFET驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)E-mode GaN，但是需要復(fù)雜的外圍電路設(shè)計(jì)，并且分壓式方案的穩(wěn)壓管的寄生電容會(huì)影響到E-mode GaN的開(kāi)關(guān)速度，應(yīng)用會(huì)有一些局限性。對(duì)此，納芯微針對(duì)E-mode GaN推出了專(zhuān)門(mén)的直驅(qū)式驅(qū)動(dòng)器，外圍電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，可靠性更高，可以充分發(fā)揮E-mode GaN的性能優(yōu)勢(shì)。

1）NSD2621：E-mode GaN專(zhuān)用高壓半橋柵極驅(qū)動(dòng)器

NSD2621是專(zhuān)為E-mode GaN設(shè)計(jì)的高壓半橋驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片采用了納芯微的成熟電容隔離技術(shù)，可以支持-700V到+700V耐壓，150V/ns的半橋中點(diǎn)dv/dt瞬變，同時(shí)具有低傳輸延時(shí)特性。高低邊的驅(qū)動(dòng)輸出級(jí)都集成了LDO，在寬VCC供電范圍內(nèi)均可輸出5~6V的驅(qū)動(dòng)電壓，并可提供2A/-4A的峰值驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具備了UVLO 功能，保護(hù)電源系統(tǒng)的安全工作。NSD2621 可提供高集成度的LGA (4*4mm) 封裝，適用于高功率密度要求的應(yīng)用場(chǎng)景。圖5為NSD2621的典型應(yīng)用電路，相比分壓式電路，采用NSD2621無(wú)需電阻、電容、穩(wěn)壓管等外圍電路，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且驅(qū)動(dòng)更可靠。

圖11 NSD2621典型應(yīng)用電路

2）NSD2017：E-mode GaN專(zhuān)用單通道低邊柵極驅(qū)動(dòng)器

NSD2017是專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)E-mode GaN設(shè)計(jì)的車(chē)規(guī)級(jí)單通道低邊驅(qū)動(dòng)芯片，具有欠壓鎖定和過(guò)溫保護(hù)功能，可以支持5V供電，分離的OUTH和OUTL引腳用于分別調(diào)節(jié)GaN的開(kāi)通和關(guān)斷速度，可以提供最大7A/-5A的峰值驅(qū)動(dòng)電流。NSD2017動(dòng)態(tài)性能出色，具備小于3ns的傳輸延時(shí)，支持1.25ns最小輸入脈寬以及皮秒級(jí)的上升下降時(shí)間，可應(yīng)用于激光雷達(dá)和電源轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。NSD2017有1.2mm*0.88mm WLCSP和2mm*2mm DFN車(chē)規(guī)級(jí)緊湊封裝可選，封裝具有最小的寄生電感，以減少上升和下降時(shí)間并限制振鈴幅值。

圖12 NSD2017典型應(yīng)用電路

3）NSI6602V/NSI6602N：E-mode GaN隔離驅(qū)動(dòng)

專(zhuān)門(mén)針對(duì)E-mode GaN隔離驅(qū)動(dòng)的需求，納芯微調(diào)節(jié)NSI6602V/NSI6602N的欠壓點(diǎn)，使其可以直接用于驅(qū)動(dòng)E-mode GaN：當(dāng)采用0V關(guān)斷時(shí)，選擇4V UVLO版本；當(dāng)采用負(fù)壓關(guān)斷時(shí)，可以選擇6V UVLO版本。需要注意的是，當(dāng)采用NSI6602V/NSI6602N直接驅(qū)動(dòng)E-mode GaN時(shí)，上管輸出必須采用單獨(dú)的隔離供電，而不能采用自舉供電。這是因?yàn)楫?dāng)下管E-mode GaN在死區(qū)時(shí)進(jìn)入第三象限導(dǎo)通Vds為負(fù)壓，此時(shí)驅(qū)動(dòng)上管如果采用自舉供電，那么自舉電容會(huì)被過(guò)充，容易導(dǎo)致上管E-mode GaN的柵極被過(guò)壓擊穿。圖13為NSI6602V/NSI6602N直驅(qū)E-mode GaN時(shí)的典型應(yīng)用電路，提供+6V/-3V的驅(qū)動(dòng)電壓。

圖13? NSI6602V/NSI6602N驅(qū)動(dòng)E-mode GaN典型應(yīng)用電路

NSG65N15K是納芯微最新推出的GaN功率芯片產(chǎn)品，內(nèi)部集成了半橋驅(qū)動(dòng)器和兩顆耐壓650V、導(dǎo)阻電阻150mΩ的E-mode GaN HEMT。NSG65N15K通過(guò)將驅(qū)動(dòng)器和GaN合封在一起，消除了共源極電感Lcs，并且將柵極回路電感Lg也降到最小，避免了雜散電感的影響。NSG65N15K是9*9mm的QFN封裝，相比傳統(tǒng)分立方案的兩顆5*6mm DFN封裝的GaN開(kāi)關(guān)管加上一顆4*4mm QFN封裝的高壓半橋驅(qū)動(dòng)，加上外圍元件，總布板面積可以減小40%以上。此外，NSG65N15K內(nèi)置可調(diào)死區(qū)時(shí)間、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)功能，有利于實(shí)現(xiàn)GaN 應(yīng)用的安全、可靠工作，并充分發(fā)揮其高頻、高速的特性?xún)?yōu)勢(shì)，適用于各類(lèi)中小功率GaN應(yīng)用場(chǎng)合。

圖14 NSG65N15K芯片功能框圖

綜上所述，納芯微針對(duì)不同類(lèi)型的GaN和各種應(yīng)用場(chǎng)景，推出了一系列驅(qū)動(dòng)IC解決方案，客戶(hù)可以根據(jù)需求自行選擇相應(yīng)的產(chǎn)品：