独特的驱动架构增强了基于gan的隔离电源设计

2016年9月22日

Gan-On-Silicon E-HEMT晶体管是最大性能，效率和经济高效的电源的选择。经济高效的驱动技术通过简化布局，减少组件计数和提高可靠性来增强供应性能。

GaN（氮化镓）E-HEMT（高电子迁移率晶体管）改变了消费电子，数据中心，工业电机，电器和运输中的电力电子动力学。在过去，晶体管（以前的超级结MOSFET）是大多数开关电源的限制因子。多年来，100 kHz-300 kHz是最先进的。

在过去的10年左右，唯一的改进已经局限于效率，因为mosfet已经变得越来越好，从一代到下一代。随着GaN晶体管的出现，其外观和性能都像更快的超结mosfet，磁性、布局技术和性能驱动程序突然跃入需要改进的领域的中心。

对于E-HEMT GaN晶体管，驱动器要求不会有太大变化。但是，为了充分利用GaN的优点，少数变化的参数是非常重要的。例如，GaN Systems Inc.发布了一个简单的驱动需求列表(脚注GN001)，可用于为GaN晶体管创建最佳驱动。隔离和非隔离栅极驱动器的驱动器要求包括:

非隔离单栅极驱动器的最低要求

大多数运行在5到6.5V门驱动器
集成的LDO用于调节5到6V栅极驱动器
R_ol.≤2Ω下拉输出阻抗
2A峰值驱动电流
低电感SMT包装
<20 ns高低开关延迟匹配100V应用
> 1 mhz切换功能

非隔离单栅极驱动器的首选要求

单独的上拉/向下驱动输出引脚
≤1Ω拉阻抗
>2a峰值驱动电流，强大的关断
<20 ns传播延迟

隔离门驱动器的典型要求

切换节点50至100kV / ms dv / dt
50kV/ms共模瞬时抗扰度(CMTI)
高低开关延迟匹配：650V应用50至100ns

孤立栅极驱动器的首选要求

开关节点上的100kV / MS DV / DT
100至200kV/ms CMTI
高-低开关延迟匹配≤50ns 650V应用

1.无聊的图腾杆PFC结构利用GaN，显着降低了损失。

从700W到3000W甚至更高的高端电源都在努力优化效率、成本和功率密度。对于数据中心应用程序来说尤其如此。这些电源大多利用了氮化镓在PFC部分的优势，通过一个由无桥图腾柱PFC (图1）。与传统增压PFC电路相比，该配置实现了28％的功率损耗。

大多数开关电源使用多个半桥电路，通常交错以获得更高的功率，不仅可以创造PFC电路，而且通常是LLC和其他拓扑，几乎完全依赖于半桥和全桥电路。如概述的那样，有几种通用解决方案可以驾驶半桥的高端和低端表格1．

HEYDANE的HEY1011集成解决方案，如图所示图2，优化布局，提供隔离，性价比高，不需要自举电路和浮动电源电路。

与GaN Systems的GaN fet一起使用，全盛公司的650V高端GaN驱动器不需要自举二极管或电容，与其他驱动器相比，提供优越的性能数据。这些驱动器表现出<25ns的低传播时间，并且能够将频率工作到MHz范围内，为系统设计师捕捉不断改进的MOS器件和可用的最佳GaN器件的能力提供了开放的机会。

2.显示是HE1011驱动程序，带GaN Systems GAS66508 GAN FETS在H桥配置中。

对更高操作频率的限制包括驱动程序和引导二极管。二极管中的反向恢复损耗是较高频率下的允许态，即使在500 kHz和上方也开始变为禁止。Heyday的驱动程序不需要任何引导组件，即使在数百kHz范围内也能够更高效的驱动器，并进入MHz范围。Bootstrap组件也遭受一些令人讨厌的负性能异常，如引导电容器“Overdrive”。当引导电容器由于转换器开关节点上的负尖峰而在预期的驱动电压高于预期的驱动电压之上时，发生这种情况。这种过充电可能导致GaN设备的栅极在其指定限制之外运行。鼎盛的技术完全缓解了这个问题。图3.显示从控制器OUT到V的PWM输入的总传播_驾驶进入1NF的1NF负载电容器18ns。

3. Hey1011从PWM输入传播延迟以驱动输出到1NF。

鼎盛日使用完全集成的磁隔离的变压器来传输栅极驱动信号和栅极驱动能量（图4）。因此，在设备内部在内部传输能量，重要的是消除了对引导组件的需求。这些驱动器包装在完全集成的表面贴装封装中。

4.孤立的单倍1011司机。

该驱动程序在更高速度和低传播时间(<25ns)下运行的能力表明，部件与部件之间的匹配天生是优秀的。Hey1011 650V GaN FET驱动器指定了<3ns的失配数字。使用此技术可以使参数表2.得到满足。

HEY1011 GAN FET驱动器的DV / DT免疫图是> 100V / NS。这使得能够强大的快速切换系统，这对于基于GaN的转换器非常重要。

这些驱动器还允许在驱动器的开关参考节点上摆动负电压摇摆。例如，在半桥技术的情况下，如果中心切换节点摇摆为负，则这些驱动器不会出现任何问题。HEY1011负挥杆限制低至-650V。

驱动程序还提供双极输出，用于将增强模式GaN设备牢固地驱动到OFF状态。HEY1013提供-2V至+ 6V的栅极驱动电压。

5.低侧和高侧栅极驱动脉冲âoffâ持续很长时间后。

HEY1021还可以产生4.5V至6V幅度的栅极驱动电压，所有来自单个+ 3.3V接地电源。从单个接地引用的3.3V电源，HEY1011产生高侧650V驱动器，可设置4.5V至6V幅度。

连续的“打开”功能也是这些驱动程序的一个有用特性。通常自举电路，非常长的时间是不可能的，因为自举电容需要被充值。但是全盛时代的驱动有一个内置的自动刷新，可以提供一个连续的“打开”无限期。这对汽车应用非常有用。

“第一脉冲完美”是磁耦合技术的固有能力，第一脉冲与所有后续脉冲相同。图5.显示了闭环LLC系统中Hey1012的低侧和高侧门驱动脉冲_在= 400V，V_出= 12V）与我_加载从空载到6a。第一个驱动器脉冲沿着控制器遵循完美的脉冲，即使在持续时间很长之后也是如此。

6.Hey1011具有220pF和1nF的CLOAD总驱动电流。