GaN晶体管与其驱动器的封装集成实现高性能

4748 氮化镓 MOSFET

问答对人有帮助，内容完整，我也想知道答案 0 作者: 德州仪器设计工程师谢涌；设计与系统经理Paul Brohlin 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：在栅极环路电感值更大时，Q品质因数增加，振铃变得更高。这个效应用一个1Ω下拉电阻关闭低管GaN FET进行仿真，图4中这个效应的出现时间为9.97μs，其中栅极环路电感变化范围介于2nH到10nH之间。在10nH的情况下，低管VGS在负栅极偏置以下产生12V振铃。这就极大地增加了GaN晶体管栅极的应力。需要注意的一点是，任何FET的栅极上的过应力都会对可靠性产生负面影响。栅极环路电感还会对关断保持能力产生巨大影响。当低管器件的栅极保持在关闭电压时，并且高管器件接通，低管漏极电容将一个大电流传送到栅极的保持环路中。这电流通过栅极环路电感将栅极推上去。图4在大约10.02µs时的曲线变化便是说明了这一点。随着电感增加，低管VGS被推得更高，从而增加了直通电流，这一点在高管漏电流曲线图中可见 (ID_HS)。这个直通电流使得交叉传导能量损耗 (E_HS) 从53µJ增加至67µJ。图4. 不同栅极环路电感下的低管关闭和高管接通波形：红色 = 2nH，绿色 = 4nH，蓝色 = 10nH。E_HS是高管能耗。根据方程式 (1)，减轻栅极应力的一个方法就是增加下拉电阻值，反过来减少L-R-C槽路的Q品质因数。图5显示的是用一个10nH栅极环路电感和在1Ω到3Ω之间变化的下拉电阻 (Rpd) 进行的仿真结果。虽然栅极下冲被一个3Ω下拉电阻限制在负偏置电压以下的数伏特内，但是关断保持能力恶化，从而导致更大的直通电流。这一点在漏电流曲线图中很明显。 E_HS能量曲线图显示出，在每个开关周期内有额外的13µJ损耗，与2nH的栅极环路电感和1Ω下拉电阻时53µJ相比，差不多增加了60%（图4）。假定开关频率为100kHz，高管器件上的功率损耗从5.3W增加至8W，其原因是由高栅极环路电感和高下拉电阻值所导致的直通。这个额外的功率损耗会使得功率器件内的散热变得十分难以管理，并且会增加封装和冷却成本。图5. 使用10nH栅极环路电感和下拉电阻时的仿真结果：Rpd = 1Ω（红色）、2Ω（绿色）和3Ω（蓝色）。E_HS是高管能耗。为了减轻直通电压，可以将栅极偏置为更大的负电压，不过这样做会增加栅极上的应力，并且会在器件处于第三象限时增大死区时间损耗。因此，在栅极环路电感比较高时，栅极应力与器件关断保持能力之间的均衡和取舍很难管理。你必须增加栅极应力，或者允许半桥直通，这会增加交叉传导损耗和电流环路振铃，并且会导致安全工作区 (SOA) 问题。一个集成式GaN/驱动器封装提供低栅极环路电感，并且最大限度地降低栅极应力和直通风险。 GaN器件保护将驱动器与GaN晶体管安装在同一个引线框架内可以确保它们的温度比较接近，这是因为引线框架的导热性能极佳。热感测和过热保护可以置于驱动器内部，使得当感测到的温度超过保护限值时，GaN FET将关闭。一个串联MOSFET或一个并联GaN感测FET可以被用来执行过流保护。它们都需要GaN器件与其驱动器之间具有低电感连接。由于GaN通常以较大的di/dt进行极快的开关，互联线路中的额外电感会导致振铃，并且需要较长的消隐时间来防止电流保护失效。集成驱动器确保了感测电路与GaN FET之间尽可能少的电感连接，这样的话，电流保护电路可以尽可能快的做出反应，以保护器件不受过流应力的影响。图6.一个半桥降压转换器（通道2）中的高管接通时的SW节点波形。开关波形图6是一个半桥的开关波形；这个半桥包含2个集成式驱动器的GaN器件，采用8mm x 8mm四方扁平无引线 (QFN) 封装。通道2显示SW节点，此时高管器件在总线电压为480V的情况下，以120V/ns的压摆率被硬开关。这个经优化的驱动器集成式封装和PCB将过冲限制在50V以下。需要说明的一点是，捕捉波形时使用的是1GHz示波器和探头。结论 GaN晶体管与其驱动器的封装集成消除了共源电感，从而实现了高电流压摆率。它还减少了栅极环路电感，以尽可能地降低关闭过程中的栅极应力，并且提升器件的关断保持能力。集成也使得设计人员能够为GaN FET搭建高效的过热和电流保护电路。 0
2018-8-30 15:28:30　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × elecfans电答该类别下有 503 个回答，其中被选为最佳答案 1 次。邀请回答辰达行电子该类别下有 112 个回答。邀请回答叫我赵大只该类别下有 30 个回答。邀请回答 xiaoxue11 该类别下有 28 个回答。邀请回答 leetow2006 该类别下有 25 个回答。邀请回答杰然不同该类别下有 20 个回答。邀请回答西西该类别下有 20 个回答。邀请回答 xichi2015 该类别下有 17 个回答。邀请回答 zhtyr 该类别下有 17 个回答。邀请回答 YHZY 该类别下有 13 个回答。邀请回答曾庆发该类别下有 11 个回答。邀请回答小程321 该类别下有 10 个回答。邀请回答 shaorc 该类别下有 10 个回答。邀请回答 bigcap1234 该类别下有 10 个回答。邀请回答孙敬啊该类别下有 9 个回答。邀请回答 Music 该类别下有 9 个回答。邀请回答两只耳朵怪该类别下有 9 个回答。邀请回答卍依靠佛号走天涯卍该类别下有 8 个回答。邀请回答去玩儿该类别下有 8 个回答。邀请回答 xudajiang1988 该类别下有 8 个回答。邀请回答举报李丽相关推荐 • 如何利用氮化镓实现高性能栅极驱动？ 12163 • 氮化镓功率晶体管与Si SJMOS和SiC MOS晶体管对分分析哪个好？ 13350 • 如何利用射频功率放大器驱动器实现无线系统？ 1826 • 氮化镓晶体管电路的布局需要考虑哪些因素？ 12434 • 首款宽带PWM控制RF SMPA驱动器描述 737 • 如何正确理解GaN？ 2397 • 栅极驱动器隔离栅的耐受性能怎么样？ 2704 • RF功率放大器在下一代无线系统有什么应用？ 1383 • 关于ULN2003达林顿晶体管集成电路的知识汇总 3418 • 想要实现高效氮化镓设计有哪些步骤？ 9448