使用高压 GaN 器件提高电源可靠性

[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

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

· 正向传导。当V DS,device > 0 且V GS,LV_Si ≥ V 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V GS,HV_GaN ≈ 0 并导通高压GaN HEMT。

· 反向传导。当V DS,device < 0 且V GS,LV_Si < V GS(th),LV_Si , V 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V DS,device < 0 且V GS,LV_Si ≥ V GS(th),LV_Si 时，低压硅 FET 导通，V 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V 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V DD应用。当在施加正V DS, device 后V DD尚未施加到器件时，V GS,HV_GaN保持在零电压，低压硅 FET的V DS开始增加。当V DS电压增加到V GS(th),HV_GaN 时，高压 GaN HEMT 将关闭并保持V DS,device + V 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。

· 与V DD施加。器件通过施加V 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V 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 ( Q 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Q 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。

图 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。

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