用专用GaN栅极驱动器实现GaN-HEMT全部潜能
 

作者：Mike Wens、Jef Thoné和David Czajkowski，MinDCet NV
 

围绕GaN HEMT的整个生态系统，包括栅极驱动器、电感器和电容器等有源和无源元件，以及有效实现器件的设计技术都必须迅速发展，以实现GaN的全部潜力。栅极驱动器作为直接控制GaN-HEMT的器件，对GaN器件的性能和可靠性起着至关重要的作用。需要优化栅极驱动必须从电压和时间两方面严格控制栅源电压。在典型的半桥中，高压侧栅源电压在高压（例如200V）和高dV/dt（例如100V/ns）下上下浮动。如此严格的操作条件要求优化和专用的栅极驱动器技术。要从GaN级获得最大效益，需要小心驱动，避免沿途的陷阱。

为了克服这些障碍，MinDCet推出了MDC901 GaN栅极驱动器。图1所示的框图概述了关键功能，解决了驱动GaN器件时的主要陷阱。

 

图1：MDC901 GaN栅极驱动器的框图

 

高转换速率

GaN的高电子迁移率在功率级、快速开关能力方面具有显著优势。快速开关相当于高转换率，可能导致极低的开关损耗。低压侧和高压侧晶体管之间的快速开关导致负载电流快速交替，从而限制了母线电压解耦及其寄生母线回路电感。

 

MDC901具有单独的上拉和下拉路径，允许调谐输出级的转换速率，同时保持GaN晶体管的低阻抗下拉路径，以避免寄生导通。

 

死区时间控制

半桥中的死区时间是一个晶体管的关闭事件和互补桥晶体管的开启事件之间的时间。为了获得最佳效率，需要针对给定的应用调整死区时间。

MDC901可以通过一系列数字输入为开启和关闭提供单独的死区时间控制。这允许静态或动态地调整给定应用的死区时间。此外，还有故障安全操作模式，该模式基于感测GaN栅极电压来设置死区时间。

 

栅极过充

在非隔离栅极驱动器应用中，栅极驱动器通过低压电源的自举供电。该技术将通过快速高压二极管为高压侧栅极驱动器供电去耦电容器充电。感应电压尖峰或非零死区时间将导致负半桥输出电压，这可能导致GaN栅极的有害过充电。

 

MDC901通过在自举二极管之后的高侧和低侧域中放置全浮式稳压器，避免了负电压操作期间栅极过充电的风险。这就产生了一个定义良好且受到有力保护的栅极驱动器电压。

 

负输出电压操作

输出驱动电压的负摆幅取决于寄生源电感和功率转换器的负载条件，这可能很难预测。对于可预测的操作，即使输入相对于电源接地的负电压，也需要保证转换器电桥始终可以控制。

 

MDC901可保证负输出电压工作至-11V，即使在高感应电流下也可实现精确的栅极控制。这已通过专门设计的电平移位器和浮动电源发电来实现。

 

高占空比运行

栅极驱动器的自举操作是提供电荷以控制高压侧晶体管的一种简单有效的方法，例如在半桥中。不可避免地，前置驱动系统中所需的支持电路的偏置会导致自举电压泄漏，从而设置可以保持的最大占空比或限制可以使用的调制深度。

对于高占空比应用（如电机驱动器和D类放大器），必须在较长时间内保持高压侧接通状态。该功能在MDC901中通过集成电荷泵实现，在100%占空比条件下补偿直流偏置。

 

MDC901提供了一种高端且功能丰富的解决方案，以可靠的方式驱动GaN晶体管，从而在给定应用中以干净、快速的开关节点电压最大限度地提高性能。该驱动器是为DC-DC解决方案开发的，但可用于所有其他GaN驱动应用，如音频D类、电机驱动器和需要真正200V能力的电子保险丝应用。

 

MDC901评估板（EVB）的用户体验

专用评估板（MDC901-15I-EVBHB）允许用户体验栅极驱动器的全部功能。EVB是一种灵活的降压转换器平台，由围绕MinDCet MDC901栅极驱动器构建的降压拓扑组成，控制150V Innoscience INN150LA070A HEMT半桥和WE-HCF 1.4uH/31.5A功率电感器。使用不同GaN技术和拓扑的评估工具包正在开发中，可根据要求提供。

 

GaN的功率可以用一个高输入/输出比的降压转换器来演示。例如，我们使用EVB测量了48V到3.3V的用例。低占空比（约6.8%）得益于快速开关瞬态速度，在相同开关频率下，与等效的基于MOSFET的转换器相比，效率提高了10%至15%。

图2中的效率测量举例说明，尽管GaN具有一定的性能，但转换效率随着开关频率的增加而降低。在200 kHz的中等开关频率下，在200至400 kHz的测量频率范围内，可以观察到开关频率每增加100 kHz，效率降低近1%。这与高频GaN范式相矛盾，并表明GaN可能实现的更高效率不一定在更高的频率下实现。

尽管如此，这可能取决于实际电压及其比率。从12V输出情况来看，在中等至高输出负载下，该频率范围内的效率没有显著影响。事实上，由于电感中的纹波电流减少，低负载下的开关频率更高，从而降低了电感交流损耗，降低了GaN HEMT中的传导损耗，从而提高了效率。

 

图2：在不同开关频率下，48V至3.3V和48V至12V GaN基降压转换器的测量效率与输出电流的函数关系

 

即使GaN的效率很高，DC-DC转换器仍然需要适当的热管理来消除损耗。由于GaN HEMT是底部冷却的，因此在EVB背面安装了一个图钉式强制空气散热器。根据工作条件（如环境温度和功率水平），可以打开风扇。在热稳态下拍摄的热图像如图3所示。

48V母线和12V和3.3V输出的设定点，均为16A输出电流和300kHz开关频率。对于3.3V输出，综合效率为91.3%，总功耗为5.0W。在12V输出时，效率为96.4%，功耗为7.2W。在3.3V输出的低占空比情况下，主要功率损耗发生在GaN功率级，其中电感在12V情况下会经历显著损耗。

MDC901中的有限温升主要是由于GaN HEMT的传导。这清楚地表明，根据使用情况，功耗分布可能会在电感器和GaN HEMT之间移动。此外，它表明，对于3.3V的情况，驱动器需要能够应对工作温度的升高，因为它靠近GaN。

 

图3：48 V至12V（左）和3.3V（右）GaN基降压转换器使用情况下，输出电流为16A的MDC901-15I-EVBHB的热图像

 

www.mindcet.com