來源：納芯微電子

增強(qiáng)型GaN HEMT具有開關(guān)速度快、導(dǎo)通電阻低、功率密度高等特點，正廣泛應(yīng)用于高頻、高效率的電源轉(zhuǎn)換和射頻電路中。但由于其柵極電容小，柵極閾值電壓低（通常在1V到2V之間）、耐受電壓低（通常-5V到7V）等特點，使得驅(qū)動電路設(shè)計時需格外注意，防止開關(guān)過程中因誤導(dǎo)通或振蕩而導(dǎo)致器件失效。

為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，本文深入分析GaN HEMT在開通與關(guān)斷時的振蕩機(jī)制，通過合理配置驅(qū)動電阻與柵源間RC吸收支路等策略，有效抑制振蕩與過沖。同步結(jié)合納芯微高壓半橋NSD2622N GaN HEMT驅(qū)動器的應(yīng)用測試，驗證了多種器件與參數(shù)組合下的優(yōu)化效果，助力系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的高頻驅(qū)動設(shè)計。

01GaN HEMT開關(guān)過程中振蕩機(jī)制與驅(qū)動設(shè)計考量

圖1 GaN HEMT驅(qū)動電路

常見的GaN HEMT驅(qū)動電路如圖1所示，工作時分別由電阻R1和R2來調(diào)節(jié)其開通和關(guān)斷速度。該驅(qū)動電路可以看作一個串聯(lián)的LRC電路。GaN HEMT開通時，受漏極高的dv/dt和米勒電容CGD的影響，柵極電壓可能出現(xiàn)振蕩或過沖，其電流路徑如圖1中的ISRC所示。這種振蕩或過沖將引起GaN HEMT功耗增加或失效。為了避免過大的振蕩或過沖，開通時總的柵極等效電阻建議大于公式（1）中給出的值。

公式（1）

其中LG為開通時總的等效寄生電感，RG(eq)為開通時總的等效驅(qū)動電阻，CGS為GaN HEMT的柵極等效電容。

GaN HEMT關(guān)斷時，受驅(qū)動回路寄生電感和柵極關(guān)斷速度的影響，柵極電壓可能出現(xiàn)負(fù)向過沖或振蕩，這種過大的負(fù)向過沖或振蕩可能導(dǎo)致柵極擊穿或誤導(dǎo)通。其電流路徑如圖1中的Isink所示。設(shè)計時要避免這種過大的負(fù)向過沖或誤開通發(fā)生。

從圖1可以看到，開通和關(guān)斷時的電流路徑ISRC和Isink有所不同，對應(yīng)的開通和關(guān)斷時總的等效寄生電感LG和等效電阻RG(eq)會有所差異。其中開通時總的等效寄生電感LG包含了的電源部分的寄生電感，而關(guān)斷時LG則不包含電源部分的寄生電感，分析計算時要注意。

為了更直觀的理解不同驅(qū)動電阻對GaN HEMT的影響，我們采用雙通道半橋 GaN HEMT驅(qū)動器NSD2622N配合不同的GaN HEMT進(jìn)行了測試驗證。下面就相關(guān)器件和驗證結(jié)果進(jìn)行簡要介紹和說明。

02納芯微高壓半橋GaN HEMT驅(qū)動器NSD2622N

納芯微NSD2622N是一款QFN 5X7的高壓半橋GaN HEMT驅(qū)動器，其功能框圖和管腳定義如圖2和圖3所示。該芯片采用了成熟的電容隔離技術(shù)，可以滿足高壓應(yīng)用要求。其高低邊均集成了專用的正負(fù)電壓調(diào)節(jié)器，其中正壓為5V~6.5V可調(diào)，負(fù)壓為固定的-2.5V，為GaN HEMT提供可靠的負(fù)壓關(guān)斷；該芯片具有傳輸延時短、驅(qū)動電流大（峰值電流分別為2A/-4A）等特點，可以滿足不同系統(tǒng)的應(yīng)用要求；同時還具有欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)和死區(qū)互鎖等功能，其中死區(qū)互鎖功能可以有效防止橋臂的上下管直通。此外，該驅(qū)動器還提供一路5V的LDO輸出，為系統(tǒng)設(shè)計提供更多的便捷性。

圖2 NSD2622N功能框圖 圖3 NSD2622N Pin定義

03GaN HEMT的參數(shù)介紹

試驗中采用了兩款具有開爾文引腳的TOLL封裝高壓GaN HEMT進(jìn)行驗證，型號分別為INNO65TA080BS和GS0650306LL，對應(yīng)的主要參數(shù)如下表所示。

04實驗結(jié)果

圖4 雙脈沖測試框圖

我們采用框圖4所示的雙脈沖電路對不同驅(qū)動電阻下GaN HEMT的柵極波形進(jìn)行測試驗證。其中NSD2622N驅(qū)動回路的參考地和GaN HEMT開爾文腳連接，開通時柵極驅(qū)動環(huán)路總的寄生電感約為38nH，根據(jù) GaN HEMT的規(guī)格書CISS計算得到開通時的等效電阻RG(eq)應(yīng)不小于26Ω。為了直接觀察欠阻尼對驅(qū)動的影響，R1分別采用10Ω和27Ω進(jìn)行了對比驗證，測試波形如下表1所示，其中藍(lán)色為GaN HEMT的漏極波形，綠色為電感LM的電流，黃色為GaN HEMT的柵極波形。

表1 調(diào)整前的開通波形

從表1中的波形可以看到， R1為10ohm時，開通驅(qū)動回路工作在欠阻尼模式，總線電壓50V左右時，兩款GaN HEMT的柵極和漏極電壓均出現(xiàn)高頻振蕩，系統(tǒng)無法正常工作；R1為27ohm時，400V電壓下，兩款GaN HEMT均能正常工作，但I(xiàn)NNO65TA080BS在開通過程中，柵極電壓出現(xiàn)較為嚴(yán)重的高頻振蕩。究其原因，主要是由于兩款GaN HEMT內(nèi)部源極的寄生電感和開通時的di/dt存在一定的差異，這種差異導(dǎo)致柵極高頻振鈴明顯不同。為了減小這種振蕩，進(jìn)一步增加驅(qū)動電阻R1到33ohm或在柵源極之間并聯(lián)RC（20ohm+1nF）支路，降低GaN HEMT的開通速度，減小開通時的di/dt，相應(yīng)的開通關(guān)斷波形見表2和表3。

表2 調(diào)整參數(shù)后的開通波形

從表2的波形中可以看出，400V總線下，兩種方案下工作正常，柵極的高頻振蕩和過沖明顯改善。其中柵源之間并聯(lián)RC支路與單純增大R1相比，柵極電壓更加平滑，無明顯過沖，但開通延時更長，功耗會有所增加，設(shè)計時需要注意。

表3 關(guān)斷時的波形

從表3的波形可以看到，負(fù)壓關(guān)斷時，柵極出現(xiàn)明顯的負(fù)壓過沖和振蕩，但沒有出現(xiàn)誤開通。其中柵極沒有并聯(lián)RC支路時，負(fù)壓過沖超過-5V；并聯(lián)RC支路后，負(fù)壓過沖幅值明顯減小。關(guān)于關(guān)斷時柵極的負(fù)壓過沖和振蕩可以通過調(diào)整電阻R2阻值或并聯(lián)RC支路的參數(shù)來進(jìn)一步優(yōu)化。

結(jié)論與建議

實驗結(jié)果表明，合理的柵極驅(qū)動電阻可以保證GaN HEMT正常穩(wěn)定工作，過小的驅(qū)動電阻易造成柵極電壓出現(xiàn)振蕩，嚴(yán)重的會導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作或失效。因此在設(shè)計增強(qiáng)型GaN HEMT的驅(qū)動電路開通時，柵極驅(qū)動電阻盡量滿足：

以此來避免開通時柵源電壓出現(xiàn)過沖振蕩，并且計算LG時，要充分考慮驅(qū)動回路中PCB走線的寄生電感和芯片的寄生電感。同時，針對不同的GaN HEMT, 柵源之間可以適當(dāng)?shù)牟⒙?lián)RC支路，有效吸收開通關(guān)斷時的振蕩尖峰。對于高壓的GaN HMET，采用負(fù)壓關(guān)斷可以防止關(guān)斷過程中柵極誤導(dǎo)通。此外，驅(qū)動芯片盡可能靠近GaN HEMT, 減小驅(qū)動回路的寄生電感，同時盡量選用帶有開爾文腳的GaN HEMT。

納芯微電子（簡稱納芯微，科創(chuàng)板股票代碼688052）是高性能高可靠性模擬及混合信號芯片公司。自2013年成立以來，公司聚焦傳感器、信號鏈、電源管理三大方向，為汽車、工業(yè)、信息通訊及消費電子等領(lǐng)域提供豐富的半導(dǎo)體產(chǎn)品及解決方案。

納芯微以『“感知”“驅(qū)動”未來，共建綠色、智能、互聯(lián)互通的“芯”世界』為使命，致力于為數(shù)字世界和現(xiàn)實世界的連接提供芯片級解決方案。