電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)人員正在尋找提高效率同時(shí)增加系統(tǒng)功率密度的方法。寬帶隙 (WBG) 技術(shù)提供了答案。由氮化鎵 (GaN) 制成的晶體管作為一種解決方案正變得越來越流行，但與其硅對應(yīng)物一樣，單個(gè)器件在處理功率方面仍然存在限制。然而，當(dāng)結(jié)合使用這些器件（GaN 晶體管）時(shí)，工程師不能簡單地從硅 MOSFET 切換到 GaN 器件。

并聯(lián)開關(guān)裝置和最佳驅(qū)動(dòng)

理想情況下，當(dāng)使用并聯(lián)開關(guān)時(shí)，所用器件的 R _DS(on)需要緊密匹配，以確保靜態(tài)電流在晶體管上均勻分布。還必須考慮動(dòng)態(tài)切換期間由于不同的柵極閾值、PCB 走線阻抗等而導(dǎo)致的器件之間缺乏對稱性。如果不這樣做，可能會(huì)導(dǎo)致不良的高頻振蕩、滿足 EMC 要求的挑戰(zhàn)，甚至?xí)p壞開關(guān)。

雖然硅 MOSFET 的并行操作是眾所周知的，但對許多工程師來說，驅(qū)動(dòng)單個(gè) GaN HEMT 將是一種全新的體驗(yàn)。由于其出色的開關(guān)速度，在處理并行操作之前必須充分了解這一挑戰(zhàn)。

Infineon CoolGaN? 600 V HEMT 在柵極下方使用 p 摻雜 GaN，從而產(chǎn)生一個(gè)正向電壓約為 3.5 V 的 pn 二極管，與柵極電容 C _G并聯(lián)。這需要一個(gè)不同于硅 MOSFET 使用的驅(qū)動(dòng)電路。二極管將柵極鉗位到接近 V _F的值，這意味著需要負(fù)電壓才能正確關(guān)閉晶體管。穩(wěn)定導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷/導(dǎo)通瞬態(tài)期間所需的驅(qū)動(dòng)器也存在差異。

圖 1 中的電路解決了這個(gè)問題。通過 R _on的低阻抗快速交流通路打開器件，而 R _SS決定穩(wěn)態(tài)二極管電流。當(dāng)關(guān)閉晶體管時(shí)，需要負(fù)柵極電壓 V _G。這是通過確保 C _on大于 C _{GS 來實(shí)現(xiàn)的}。

圖 1：E 模式 GaN HEMT 等效電路（左）和提議的驅(qū)動(dòng)方案（右）。

單柵極驅(qū)動(dòng)器，例如隔離式 EiceDRIVER? 1EDI20N12AF，是 CoolGaN HEMT 的理想伴侶。源極 (OUT+) 和漏極 (OUT-) 輸出分別使用正確的電壓實(shí)現(xiàn)晶體管的開啟/關(guān)閉。這可確保不超過柵極閾值，即使在 RC 網(wǎng)絡(luò)可能趨向于 0 V 的低占空比下，也能很好地定義V _G。

交流電路徑的影響

即使每個(gè)晶體管都有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電路，柵極驅(qū)動(dòng)器回路中仍然有一個(gè)共享的電流路徑（圖 2），因?yàn)椴豢杀苊獾貢?huì)有一些電流流過開爾文源。即使是微小的毫伏差異也會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)晶體管之間的嚴(yán)重振蕩。

圖 2：在并行 CoolGaN? 操作中，開爾文源路徑中的高阻抗可控制嚴(yán)重振蕩。

開爾文源路徑中的高阻抗共模 (CM) 電感器和 1 Ω 電阻器可解決此問題。圖 3 的仿真結(jié)果顯示了精心設(shè)計(jì)尺寸的 CM 電感器以避免損害驅(qū)動(dòng)器能力的影響。

圖 3：仿真顯示了在不使用 CM 電感器（上圖）和使用 CM 電感器（下圖）的情況下切換 40 A 的影響。

PCB 設(shè)計(jì)的良好實(shí)踐

在高頻和電流下使用 GaN HEMT 時(shí)，雜散電感和電容引起問題的可能性很高，在并行操作時(shí)更是如此。然而，使用 SIMetrix 晶體管模型的模擬表明，對于小型且對稱的柵極驅(qū)動(dòng)回路以及使用 CM 電感器，均流中的任何靜態(tài)不平衡僅與所選晶體管之間的R _DS(on)差異有關(guān)。

積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)

為了讓工程師能夠快速評估并聯(lián)運(yùn)行的 GaN HEMT，英飛凌開發(fā)了一款并聯(lián)半橋評估板，其中包含四個(gè) 70 mΩ IGOT60R070D1。使用此處討論的設(shè)計(jì)指南，它為深入分析提供了廣泛的測試點(diǎn)。借助外部電感器，該板可用于降壓和升壓模式測試以及雙脈沖測試。脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 操作也可以用于頻率高達(dá) 1 MHz 和功率級(jí)別為幾千瓦的硬開關(guān)和軟開關(guān)。可以測試 28 A 的連續(xù)電流和 70 A 的峰值電流，以及適當(dāng)?shù)纳崞?/font>

圖 4：并聯(lián)半橋 CoolGaN? 評估平臺(tái)

概括

充分了解所需的柵極驅(qū)動(dòng)電路后，可以相對輕松地并行使用 GaN 功率晶體管。最大的挑戰(zhàn)與許多工程師使用當(dāng)前的硅技術(shù)永遠(yuǎn)無法體驗(yàn)的高功率和開關(guān)頻率有關(guān)。通過遵循良好 PCB 布局的基本規(guī)則、在柵極和開爾文源路徑中使用 CM 電感器以及平衡晶體管之間的電流，破壞性振蕩的可能性被最小化。

　　審核編輯：湯梓紅