GaN 器件的直接驱动配置

集成栅极驱动的75mΩGaN 器件

TI 的LMG341x 系列600V GaN 器件是业界首个集成GaN FET 外加驱动器和保护功能的器件。它是一个8mm x 8mm 四方扁平无引线（QFN）多芯片模块（MCM），包括一个GaN FET 和具有集成20V 串联FET 的驱动。RDSON 的总电阻为75mΩ。

该器件的框图如图4 所示。栅极驱动器提供GaN FET 的直接驱动能力，并具有内置的降压-升压转换器，以产生关闭GaN FET 所需的负电压。栅极驱动使用12V 单电源供电，并具有一个内部低压差稳压器（LDO），可产生一个5V 电源，为驱动和其他控制电路供电。内部欠压锁定（UVLO）电路使安全FET 保持关闭状态，直至输入电压超过9.5V。一旦UVLO 超过其自身阈值，降压/升压转换器就会接通并对负电源轨（VNEG）充电。一旦VNEG 电源电压超过其自身的UVLO，驱动器便会启用驱动。

与分立的GaN 和驱动器相比，LMG341x 系列的集成直接驱动实现具有诸多优势。栅极驱动的一个重要方面是在硬开关事件期间控制压摆率。LMG341x 系列使用可编程电流源来驱动GaN 栅极。

图4：单通道600 V，76ΩGaN FET 功率级的框图。

电流源来驱动GaN 栅极。电流源提供阻抗以抑制栅极环路，并允许用户以受控的方式对转换率进行编程，转换率从30 V/ns到100 V/ns，以解决电路板寄生和EMI 问题。

通过将串联FET 集成到驱动集成电路（IC）中，感测FET 和电流感测电路可为GaN FET 提供过流保护。这是增强整体系统可靠性的关键功能。使用增强型GaN 器件时，这种电流检测方案无法实现。当大于40 A 的电流流经GaN FET 时，电流保护电路会跳闸。GaN FET 在发生过流事件后的60 ns 内关闭，从而防止裸片过热。

通过将驱动芯片封装在与GaN FET 相同的裸片附着垫（DAP）上，驱动芯片处的引线框架可感测GaN 器件的温度。驱动可通过在过热事件期间禁用GaN 驱动来保护器件。集成的GaN 器件还提供FAULT 输出，通知控制器由于故障事件而停止了开关。为使用直接驱动方法验证操作，我们建立了一个半桥板，并将其配置为降压转换器（图5）。此外，我们使用了ISO7831双向电平位移器来馈送高侧驱动信号，并返回经过电平位移的FAULT 信号。

图6 中，GaN 半桥配置从480V 总线、以1.5A 的转换速率转换为100V/ns。蓝色迹线是开关节点波形，紫色迹线是电感器电流。

硬开关导通稳定，具有约50 V 的过冲。此波形使用1 Ghz 示波器和探头进行采集，可观察到任何高频振铃。快速的导通时间，外加减小的寄生电容和缺反向恢复电荷，使得基于GaN 的半桥配置即使在使用硬开关转换器时也可高效开关。

图5：典型的半桥配置。

总结

GaN 在减小寄生电容和无反向恢复方面所提供的优势为使用硬开关拓扑结构同时保持高效率提供了可能。需要受控的高开关压摆率来更大程度地发挥GaN 的优势，而这又需要优化的共封装驱动器和精心的电路板布局技术。共封装驱动有助于更大程度地减少栅极环路寄生效应，以减少栅极振铃。

利用精心布置的印刷电路板（PCB），优化的驱动器可使设计人员以更小的振铃和EMI 来控制开关事件的转换速率。这得益于GaN 器件的直接驱动配置而非级联驱动配置。

LMG341x 系列器件使设计人员能够以30 V/ns 至100 V/ns 的压摆率控制各类器件的开关。此外，驱动器还提供过流、过热和欠压保护。

图6：降压开关波形示例。

参考文献

1. B.J. Baliga, “Power Semiconductor Device Figure-of-Merit for High Frequency Applications,” IEEE Electron Device Letters, vol. 10, pp. 455-457, 1989.

2. M. Seeman et al., “Advantages of GaN in a High-Voltage Resonant LLC Converter,” IEEE APEC, pp. 476-483, March 2014.

3. S. Bahl et al., “New Electrical Overstress and Energy Loss Mechanism in GaN Cascodes,” APEC 2015.

4. X. Huang et al., “Characterization and Enhancement of 600V Cascode GaN Device,” Virginia Tech 2015 CPES Industry Webinar, March 11, 2015.

5. Download these data sheets: LMG3410R050. LMG3410R070 and LMG3411R070