如何用集成驱动器优化氮化镓性能？

　　导读：

　　将GaN FET与它们的驱动器集成在一起可以改进开关性能，并且能够简化基于GaN的功率级设计。

　　氮化镓 （GaN） 晶体管的开关速度比硅MOSFET快很多，从而有可能实现更低的开关损耗。然而，当压摆率很高时，特定的封装类型会限制GaN FET的开关性能。将GaN FET与驱动器集成在一个封装内可以减少寄生电感，并且优化开关性能。集成驱动器还可以实现保护功能。

　　简介

　　氮化镓 （GaN） 晶体管的开关性能要优于硅MOSFET，因为在同等导通电阻的情况下，氮化镓 （GaN） 晶体管的终端电容较低，并避免了体二极管所导致的反向恢复损耗。正是由于这些特性，GaN FET可以实现更高的开关频率，从而在保持合理开关损耗的同时，提升功率密度和瞬态性能。

　　传统上，GaN器件被封装为分立式器件，并由单独的驱动器驱动，这是因为GaN器件和驱动器基于不同的处理技术，并且可能来自不同的厂商。每个封装将会有引入寄生电感的焊线和引线，如图1a所示。当以每纳秒数十到几百伏电压的高压摆率进行切换时，这些寄生电感会导致开关损耗、振铃和可靠性问题。

　　将GaN晶体管与其驱动器集成在一起（图1b）可以消除共源电感，并且极大降低驱动器输出与GaN栅极之间的电感，以及驱动器接地中的电感。在这篇文章中，我们将研究由封装寄生效应所引发的问题和限制。在一个集成封装内对这些寄生效应进行优化可以减少该问题，并且以高于100V/ns的高压摆率实现出色的开关性能。

　　图1. 由独立封装内的驱动器驱动的GaN器件 （a）；一个集成GaN/驱动器封装 （b）。

　　图2. 用于仿真的半桥电路的简化图

　　仿真设置

　　为了仿真寄生电感效应，我们使用了一个采用直接驱动配置的空乏型GaN半桥功率级（图2）。我们将半桥设置为一个降压转换器，总线电压480V，死区时间50ns时50%占空比（输出电压 ［VOUT］ = 240V），以及一个8A的电感器电流。这个GaN栅极在开关电压电平间被直接驱动。一个阻性驱动设定GaN器件的接通压摆率。一个电流源只会仿真一个与连续传导模式降压转换器内开关 （SW） 节点所连接的电感负载。

　　共源电感

　　高速开关中最重要的一个寄生要素是共源电感（图1a中的Lcs），它限制了器件汲取电流的压摆率。在传统的TO-220封装中，GaN源由焊线流至引线，而汲取电流与栅极电流都从这里流过。这个共源电感在汲取电流改变时调制栅源电压。共源电感会高于10nH（其中包括焊线和封装引线），从而限制了压摆率 （di/dt），并增加开关损耗。

　　借助图1b中所示的集成式封装，驱动器接地直接焊接至GaN裸片的源焊垫。这个Kelvin源连接最大限度地缩短了电源环路与栅极环路共用的共源电感路径，从而使得器件能够以高很多的电流压摆率来开关。可以将一个Kelvin源引脚添加到一个分立式封装内；然而，这个额外的引脚会使其成为一个不标准的电源封装。Kelvin源引脚还必须从印刷电路板 （PCB） 引回至驱动器封装，从而增加了栅极环路电感。

　　图3.不同共源电感情况下的高管接通：红色 = 0nH，绿色 = 1nH，蓝色 = 5nH。E_HS是高管器件的VDS和IDS在运行时间内的积分值（能耗）。

　　图3显示的是高管开关接通时的硬开关波形。在共源电感为5nH时，由于源降级效应，压摆率减半。一个更低的压摆率会带来更长的转换时间，导致更高的交叉传导损耗，如能耗曲线图中所示。在共源电感为5nH时，能量损耗从53μJ增加至85μJ，增加了60%。假定开关频率为100kHz，功率损耗则会从从5.3W增加至8.5W。

　　栅极环路电感

　　栅极环路电感包括栅极电感和驱动器接地电感。栅极电感是驱动器输出与GaN栅极之间的电感。在使用独立封装时，栅极电感包括驱动器输出焊线 （Ldrv_out）、GaN栅极焊线 （Lg_gan） 和PCB迹线 （Lg_pcb），如图1a中所示。

　　基于不同的封装尺寸，栅极电感会从紧凑型表面贴装封装（例如，四方扁平无引线封装）的几纳亨到有引线功率封装（例如TO-220）的10nH以上。如果驱动器与GaN FET集成在同一个引线框架内（图1b），GaN栅极直接焊接到驱动器输出上，这样可以将栅极电感减少至1nH以下。封装集成还可以极大地降低驱动器接地电感（从图1a中的Ldrv_gnd + Ls_pcb到图1b中的Lks）。

　　降低栅极环路电感对于开关性能有着巨大影响，特别是在关闭期间，GaN栅极被一个电阻器下拉。这个电阻器的电阻值需要足够低，这样的话，器件才不会在开关期间由于漏极被拉高而又重新接通。这个电阻器与GaN器件的栅源电容和栅极环路电感组成了一个电感器-电阻器-电容器 （L-R-C） 槽路。方程式1中的Q品质因数表示为：