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[导读]氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 提高了转换器效率,与具有相同额定电压的硅 FET 相比,具有更低的栅极电荷、更低的输出电荷和更低的导通电阻。在总线电压大于 380V 的高压 DC/DC 转换器应用中,耗尽型(d 型)GaN HEMT 比增强型(e 型)GaN HEMT 更受欢迎。

氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 提高了转换器效率,与具有相同额定电压的硅 FET 相比,具有更低的栅极电荷、更低的输出电荷和更低的导通电阻。在总线电压大于 380V 的高压 DC/DC 转换器应用中,耗尽型(d 型)GaN HEMT 比增强型(e 型)GaN HEMT 更受欢迎。

这是因为 d 模式 GaN HEMT 的栅极电压范围比 e 模式 GaN HEMT 宽得多。然而,d 模式 GaN HEMT 具有“常开”特性,这对于常见的开关模式电源应用来说并不理想。两种商用高压 GaN 器件(如图 1 所示)使用具有不同配置的 d 型 GaN HEMT 形成“常关”器件。

 使用高压 GaN 器件提高电源可靠性

1:采用同步驱动技术的高压 GaN 器件(a);和直接驱动技术 (b)

两种 GaN 器件都具有与低压硅 FET 串联的高压 GaN HEMT,但具有不同的驱动方案。采用同步驱动技术的高压 GaN 器件将其高压 GaN HEMT 栅极引脚与其低压硅 FET 的源极引脚短路。通过打开低压硅FET,我们可以控制整个设备的开/关。

同步驱动高压 GaN 器件有三种可能的状态:

· 正向阻塞。当DS,device > 0 且GS,LV_Si < GS(th),LV_Si 时,高压 GaN HEMT 可以打开或关闭,具体取决于DS,device是否高于高压 GaN HEMT GS阈值电压GS(th),HV_GaN )。注意GS(th),LV_Si是低压硅 FET的GS阈值电压。由于GS,LV_Si < GS(th),LV_Si,低压硅FET处于截止状态,不传导任何电流。如果DS,设备< | GS(th),HV_GaN |,高压 GaN HEMT 保持导通状态,低压硅 FET 保持整个器件的DS应力。如果DS,device ≥ | GS(th),HV_GaN |,高压 GaN HEMT 关闭,高压 GaN HEMT 的DS电压保持在DS,device + GS(th),HV_GaN,其中GS(th) ,HV_GaN < 0。

· 正向传导。当DS,device > 0 且GS,LV_Si ≥ GS(th),LV_Si 时,低压硅 FET 导通。无论高压GaN HEMT在进入正向导通状态之前是关断还是导通,低压硅FET的导通都会迫使GS,HV_GaN ≈ 0 并导通高压GaN HEMT。

· 反向传导。当DS,device < 0 且GS,LV_Si < GS(th),LV_Si , GS,HV_GaN将钳位到低压硅 FET 体二极管正向电压。因此,电流将流过低压硅 FET 体二极管和高压 GaN HEMT。当DS,device < 0 且GS,LV_Si ≥ GS(th),LV_Si 时,低压硅 FET 导通,GS,HV_GaN被强制为零。因此,电流流过低压硅 FET 和高压 GaN HEMT 的漏源沟道。

与同步驱动高压 GaN 器件不同,直接驱动高压 GaN 器件仅在其DD电压高于欠压锁定后才将低压硅 FET 导通一次。我们可以分析这两种情况下的设备运行情况:

· 如果没有DD应用。当在施加正DS, device 后DD尚未施加到器件时GS,HV_GaN保持在零电压,低压硅 FET的DS开始增加。当DS电压增加到GS(th),HV_GaN 时,高压 GaN HEMT 将关闭并保持DS,device + GS(th),HV_GaN 的电压。此操作类似于同步驱动高压 GaN 器件的正向阻断状态。

· DD施加。器件通过施加DD 上电后,栅极驱动器可以产生负电压以直接关闭高压 GaN HEMT。一旦栅极驱动器控制了高压 GaN HEMT,低压硅 FET 就可以在移除DD或检测到任何故障之前持续导通。

采用不同的驱动技术,同步驱动高压GaN器件和直接驱动高压GaN器件具有非常不同的特性。同步驱动高压 GaN 器件可用作硅 FET 的直接替代品。然而,低压硅 FET 与高压 GaN HEMT 同步切换。即,低压FET的体二极管可以在稳态操作中传导电流。因此,低压硅 FET 反向恢复电荷 ( rr ) 将引入额外的损耗并限制同步驱动高压 GaN 器件可实现的开关频率。

与同步驱动高压 GaN 器件相比,直接驱动高压 GaN 器件中的低压硅 FET 仅从关断到导通一次,并在稳定状态下保持导通。这消除了由于低电压硅 FET 体二极管引起的反向恢复效应。此外,栅极驱动器和启动逻辑的集成增加了整个电源的可靠性。

TI 的 600V LMG3410 GaN 器件采用直接驱动技术来实现零rr和更低的栅极电荷。还内置了具有 50nS 快速故障触发时间的过温保护 (OTP) 和过流保护 (OCP)。在具有图腾柱开关配置的电源中使用 TI 直接驱动 GaN 器件——就像图腾柱功率因数校正电路或电感 - 电感 - 电容器 (LLC) 串联谐振半桥转换器 - 可以消除直通和不正确的死区时间设置的担忧。

2 显示了使用 TI LMG3410 作为输入开关的 LLC 串联谐振半桥转换器的直通测试。在测试过程中,高边开关被强制打开,低边开关由驱动信号控制,占空比逐渐增加。一旦 OCP 跳闸,LMG3410 会迅速禁用其内部驱动器以关闭开关。这可以防止设备发生灾难性故障。

使用高压 GaN 器件提高电源可靠性 

2:对 LLC 串联谐振半桥转换器进行的 TI LMG3410 直通测试:C1 = 低侧开关驱动信号,CH2 = 开关节点电压,CH3 = 高侧开关驱动信号,CH4 = 初级电感器电流

我们还在同一个 LLC 串联谐振半桥板上测试了 LMG3410 OTP,死区时间设置不正确,以迫使转换器进入硬开关操作。我们可以观看OTP 测试视频

通过在这款零rr GaN 器件中内置 OCP 和 OTP ,我们已经解决了图腾柱开关中最令人担忧的问题。



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