氮化鎵 (GaN) 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 提高了轉(zhuǎn)換器效率，與具有相同額定電壓的硅 FET 相比，具有更低的柵極電荷、更低的輸出電荷和更低的導(dǎo)通電阻。在總線(xiàn)電壓大于 380V 的高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，耗盡型（d 型）GaN HEMT 比增強(qiáng)型（e 型）GaN HEMT 更受歡迎。
這是因?yàn)?/span> d 模式 GaN HEMT 的柵極電壓范圍比 e 模式 GaN HEMT 寬得多。然而，d 模式 GaN HEMT 具有“常開(kāi)”特性，這對(duì)于常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)模式電源應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不理想。兩種商用高壓 GaN 器件（如圖 1 所示）使用具有不同配置的 d 型 GaN HEMT 形成“常關(guān)”器件。
圖 1：采用同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的高壓 GaN 器件（a）；和直接驅(qū)動(dòng)技術(shù) (b)
兩種 GaN 器件都具有與低壓硅 FET 串聯(lián)的高壓 GaN HEMT，但具有不同的驅(qū)動(dòng)方案。采用同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的高壓 GaN 器件將其高壓 GaN HEMT 柵極引腳與其低壓硅 FET 的源極引腳短路。通過(guò)打開(kāi)低壓硅FET，我們可以控制整個(gè)設(shè)備的開(kāi)/關(guān)。
同步驅(qū)動(dòng)高壓 GaN 器件有三種可能的狀態(tài)：
· 正向阻塞。當(dāng)V DS,device > 0 且V GS,LV_Si < V GS(th),LV_Si 時(shí)，高壓 GaN HEMT 可以打開(kāi)或關(guān)閉，具體取決于V DS,device是否高于高壓 GaN HEMT V GS閾值電壓 ( V GS(th),HV_GaN )。注意V GS(th),LV_Si是低壓硅 FET的V GS閾值電壓。由于V GS,LV_Si < V GS(th),LV_Si，低壓硅FET處于截止?fàn)顟B(tài)，不傳導(dǎo)任何電流。如果V DS,設(shè)備< | V GS(th),HV_GaN |，高壓 GaN HEMT 保持導(dǎo)通狀態(tài)，低壓硅 FET 保持整個(gè)器件的V DS應(yīng)力。如果V DS,device ≥ | V GS(th),HV_GaN |，高壓 GaN HEMT 關(guān)閉，高壓 GaN HEMT 的V DS電壓保持在V DS,device + V GS(th),HV_GaN，其中V GS(th) ,HV_GaN < 0。
· 正向傳導(dǎo)。當(dāng)V DS,device > 0 且V GS,LV_Si ≥ V GS(th),LV_Si 時(shí)，低壓硅 FET 導(dǎo)通。無(wú)論高壓GaN HEMT在進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)之前是關(guān)斷還是導(dǎo)通，低壓硅FET的導(dǎo)通都會(huì)迫使V GS,HV_GaN ≈ 0 并導(dǎo)通高壓GaN HEMT。
· 反向傳導(dǎo)。當(dāng)V DS,device < 0 且V GS,LV_Si < V GS(th),LV_Si , V GS,HV_GaN將鉗位到低壓硅 FET 體二極管正向電壓。因此，電流將流過(guò)低壓硅 FET 體二極管和高壓 GaN HEMT。當(dāng)V DS,device < 0 且V GS,LV_Si ≥ V GS(th),LV_Si 時(shí)，低壓硅 FET 導(dǎo)通，V GS,HV_GaN被強(qiáng)制為零。因此，電流流過(guò)低壓硅 FET 和高壓 GaN HEMT 的漏源溝道。
與同步驅(qū)動(dòng)高壓 GaN 器件不同，直接驅(qū)動(dòng)高壓 GaN 器件僅在其V DD電壓高于欠壓鎖定后才將低壓硅 FET 導(dǎo)通一次。我們可以分析這兩種情況下的設(shè)備運(yùn)行情況：
· 如果沒(méi)有V DD應(yīng)用。當(dāng)在施加正V DS, device 后V DD尚未施加到器件時(shí)，V GS,HV_GaN保持在零電壓，低壓硅 FET的V DS開(kāi)始增加。當(dāng)V DS電壓增加到V GS(th),HV_GaN 時(shí)，高壓 GaN HEMT 將關(guān)閉并保持V DS,device + V GS(th),HV_GaN 的電壓。此操作類(lèi)似于同步驅(qū)動(dòng)高壓 GaN 器件的正向阻斷狀態(tài)。
· 與V DD施加。器件通過(guò)施加V DD 上電后，柵極驅(qū)動(dòng)器可以產(chǎn)生負(fù)電壓以直接關(guān)閉高壓 GaN HEMT。一旦柵極驅(qū)動(dòng)器控制了高壓 GaN HEMT，低壓硅 FET 就可以在移除V DD或檢測(cè)到任何故障之前持續(xù)導(dǎo)通。
采用不同的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，同步驅(qū)動(dòng)高壓GaN器件和直接驅(qū)動(dòng)高壓GaN器件具有非常不同的特性。同步驅(qū)動(dòng)高壓 GaN 器件可用作硅 FET 的直接替代品。然而，低壓硅 FET 與高壓 GaN HEMT 同步切換。即，低壓FET的體二極管可以在穩(wěn)態(tài)操作中傳導(dǎo)電流。因此，低壓硅 FET 反向恢復(fù)電荷 ( Q rr ) 將引入額外的損耗并限制同步驅(qū)動(dòng)高壓 GaN 器件可實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)頻率。
與同步驅(qū)動(dòng)高壓 GaN 器件相比，直接驅(qū)動(dòng)高壓 GaN 器件中的低壓硅 FET 僅從關(guān)斷到導(dǎo)通一次，并在穩(wěn)定狀態(tài)下保持導(dǎo)通。這消除了由于低電壓硅 FET 體二極管引起的反向恢復(fù)效應(yīng)。此外，柵極驅(qū)動(dòng)器和啟動(dòng)邏輯的集成增加了整個(gè)電源的可靠性。
TI 的 600V LMG3410 GaN 器件采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)零Q rr和更低的柵極電荷。還內(nèi)置了具有 50nS 快速故障觸發(fā)時(shí)間的過(guò)溫保護(hù) (OTP) 和過(guò)流保護(hù) (OCP)。在具有圖騰柱開(kāi)關(guān)配置的電源中使用 TI 直接驅(qū)動(dòng) GaN 器件——就像圖騰柱功率因數(shù)校正電路或電感 - 電感 - 電容器 (LLC) 串聯(lián)諧振半橋轉(zhuǎn)換器 - 可以消除直通和不正確的死區(qū)時(shí)間設(shè)置的擔(dān)憂(yōu)。
圖 2 顯示了使用 TI LMG3410 作為輸入開(kāi)關(guān)的 LLC 串聯(lián)諧振半橋轉(zhuǎn)換器的直通測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，高邊開(kāi)關(guān)被強(qiáng)制打開(kāi)，低邊開(kāi)關(guān)由驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制，占空比逐漸增加。一旦 OCP 跳閘，LMG3410 會(huì)迅速禁用其內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器以關(guān)閉開(kāi)關(guān)。這可以防止設(shè)備發(fā)生災(zāi)難性故障。
圖 2：對(duì) LLC 串聯(lián)諧振半橋轉(zhuǎn)換器進(jìn)行的 TI LMG3410 直通測(cè)試：C1 = 低側(cè)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，CH2 = 開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓，CH3 = 高側(cè)開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，CH4 = 初級(jí)電感器電流
我們還在同一個(gè) LLC 串聯(lián)諧振半橋板上測(cè)試了 LMG3410 OTP，死區(qū)時(shí)間設(shè)置不正確，以迫使轉(zhuǎn)換器進(jìn)入硬開(kāi)關(guān)操作。我們可以觀看OTP 測(cè)試視頻。
通過(guò)在這款零Q rr GaN 器件中內(nèi)置 OCP 和 OTP ，我們已經(jīng)解決了圖騰柱開(kāi)關(guān)中最令人擔(dān)憂(yōu)的問(wèn)題。
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