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2023/12/20
作為當下熱門的第三代半導體技術，GaN在數據中心、光伏、儲能、電動汽車等市場都有著廣闊的應用場景。和傳統的Si器件相比，GaN具有更高的開關頻率與更小的開關損耗，但對驅動IC與驅動電路設計也提出了更高的要求。
按照柵極特性差異，GaN分為常開的耗盡型（D-mode）和常關的增強型（E-mode）兩種類型；按照應用場景差異，GaN需要隔離或非隔離、低邊或自舉、零伏或負壓關斷等多種驅動方式。針對不同類型的GaN和各種應用場景，納芯微推出了一系列驅動IC解決方案，助力于充分發揮GaN器件的性能優勢。
由于常開的耗盡型GaN本身無法直接使用，需要通過增加外圍元器件的方式，將D-mode GaN從常開型變為常關型，主要包括級聯（Cascode）和直驅（Direct Drive）兩種技術架構；其中，級聯型的D-mode GaN更為主流。如下圖1，級聯型的D-mode GaN是通過利用低壓Si MOSFET的開關帶動整體的開關，從而將常開型變為常關型。
圖1 級聯型D-mode GaN的結構
盡管低壓Si MOS在導通時額外串入溝道電阻，并且參與了器件的整體開關過程，但由于低壓Si MOS的導通電阻和開關性能本身就很理想，所以對GaN器件的整體影響非常有限。
級聯型的D-mode GaN最大的優勢在于可用傳統Si MOS的驅動電路，以0V/12V電平進行關/開的控制。但需要注意的是，盡管驅動電路和Si MOS相同，但由于級聯架構的D-mode GaN的開關頻率和速度遠高于傳統的Si MOS，所以要求驅動IC能夠在很高的dv/dt環境下正常工作。
如下圖2和圖3所示為氮化鎵采用半橋拓撲典型應用電路，GaN的高頻、高速開關會導致半橋中點的電位產生很高的dv/dt跳變，對于非隔離驅動IC，驅動芯片的內部Level shifter寄生電容會在高dv/dt下產生共模電流；對于隔離驅動IC，驅動芯片的輸入輸出耦合電容同樣構成共模電流路徑。這些共模電流耦合到信號輸入側會對輸入信號造成干擾，可能會觸發驅動芯片的誤動作，嚴重時甚至會引發GaN發生橋臂直通。
圖2 非隔離半橋驅動IC的共模干擾傳播路徑
圖3 隔離半橋驅動IC的共模干擾傳播路徑
因此，共模瞬變抗擾度（CMTI）是選擇GaN驅動IC的一個重要指標。對于GaN器件，特別是高壓、大功率應用，推薦使用100V/ns以上CMTI的驅動IC，以滿足更高開關頻率、更快開關速度的需求。
納芯微提供多款應用于D-mode GaN的驅動解決方案，以滿足不同功率段、隔離或非隔離等不同應用場景的需求。
1）NSD1624：高可靠性高壓半橋柵極驅動器
傳統的非隔離高壓半橋驅動IC一般采用level-shifter架構，由于內部寄生電容的限制，通常只能耐受50V/ns的共模瞬變。NSD1624創新地將隔離技術應用于高壓半橋驅動IC的高邊驅動，將dv/dt耐受能力提高到150V/ns，并且高壓輸出側可以承受高達±1200V的直流電壓。此外，NSD1624具有+4/-6A驅動電流能力，能工作在10~20V 電壓范圍，高邊和低邊輸出均有獨立的供電欠壓保護功能（UVLO）。NSD1624 可提供SOP14，SOP8，與小體積的LGA 4*4mm封裝，非常適合高密度電源的應用，可適用于各種高壓半橋、全橋電源拓撲。
圖4 NSD1624芯片功能框圖
2）NSI6602V/NSI6602N：第二代高性能隔離式雙通道柵極驅動器
NSI6602V/NSI6602N是納芯微第二代高性能隔離式雙通道柵極驅動器, 相比第一代產品進一步增強了抗干擾能力和驅動能力，同時提高了輸入側的耐壓能力，且功耗更低，可以支持最高2MHz工作開關頻率。每個通道輸出以快速的25ns傳播延遲和5ns的最大延遲匹配來提供最大6A/8A的拉灌電流能力，150V/ns的共模瞬變抗擾度(CMTI) 提高了系統抗共模干擾能力。NSI6602V/NSI6602N有多個封裝可供選擇，最小封裝是4*4mm LGA 封裝，可用于GaN等功率密度要求高的場景。
圖5.1 NSI6602N 芯片功能框圖
圖5.2 NSI6602V芯片功能框圖
3）NSI6601/NSI6601M：隔離式單通道柵極驅動器
NSI6601/6601M 是隔離式單通道柵極驅動器，可以提供分離輸出用于分別控制上升和下降時間。驅動器的輸入側為3.1V至17V電源電壓供電，輸出側最大電源電壓為32V，輸入輸出電源引腳均支持欠壓鎖定（UVLO）保護。它可以提供5A/5A 的拉/灌峰值電流，最低150V/ns的共模瞬變抗擾度（CMTI）確保了系統魯棒性。此外，NSI6601M還集成了米勒鉗位功能，可以有效抑制因米勒電流造成的誤導通風險。
圖6.1 NSI6601 芯片功能框圖
圖6.2 NSI6601M 芯片功能框圖
不同于Cascode D-mode GaN通過級聯低壓Si MOS來實現常關型，E-mode GaN直接對GaN柵極進行p型摻雜來修改能帶結構，改變柵極的導通閾值，從而實現常斷型器件。
根據柵極結構不同，E-mode GaN又分為歐姆接觸的電流型和肖特基接觸的電壓型兩種技術路線，其中電壓型E-mode GaN最為主流，下文將主要介紹該類型GaN的驅動特性和方案。
圖7 電壓型E-mode GaN結構
這種類型E-mode GaN的優點是可以實現0V關斷、正壓導通，并且無需損害GaN的導通和開關特性。由于GaN沒有體二極管，不存在二極管的反向恢復問題，在硬開關場合可以有效降低開關損耗和EMI噪聲。然而，電壓型E-mode GaN驅動電壓范圍較窄，一般典型驅動電壓范圍在5~6V，并且開啟閾值也很低，對驅動回路的干擾與噪聲會比較敏感，設計不當的話容易引起GaN誤開通甚至柵極擊穿。
表1 E-mode GaN和Si Mos驅動電壓對比
*不同品牌的E-mode GaN柵極耐受負壓能力差別較大，有的僅能耐受-1.4V，有的可耐受-10V負壓。
在低電壓、小功率，或對死區損耗敏感的應用中，一般可使用0V電壓關斷；但是在高電壓、大功率系統中，往往推薦采用負壓關斷來增強噪聲抗擾能力，保證可靠關斷。在設計柵極關斷的負壓時，除了需要考慮GaN本身的柵極耐壓能力外，還需要考慮對效率的影響。如下表所示，這是因為E-mode GaN在關斷狀態下可以實現電流的反向流動即第三象限導通，但是反向導通壓降和柵極關斷的負壓值相關，用于柵極關斷的電壓越負，反向壓降就越大，相應的會帶來更大的死區損耗。一般，對于500W以上高壓應用，特別是硬開關，推薦-2V~-3V的關斷負壓。
表2 GaN/Si MOS/IGBT 不同狀態下電流路徑
? 考慮E-mode GaN的以上驅動特性，對驅動器和驅動電路的設計一般需要滿足：
◆ 具備100V/ns以上的CMTI，以滿足高頻應用的抗擾能力；
◆可提供5~6V的驅動電壓，并且驅動器最好集成輸出級LDO；
◆ 驅動器最好有分開的OUTH和OUTL引腳，從而不必通過二極管來區分開通和關斷路徑，避免了二極管壓降造成GaN誤導通的風險；
◆ 在高壓、大功率應用特別是硬開關拓撲，可以提供負壓關斷能力；
◆ 盡可能小的傳輸延時和傳輸延時匹配，從而可以設定更小的死區時間，以減小死區損耗。
E-mode GaN可以采用傳統的Si MOS驅動器來設計驅動電路，需要通過阻容分壓電路做降壓處理。如圖8所示驅動電路，開通時E-mode GaN柵極電壓被Zener管穩壓在6V左右，關斷時被Zener管的正向導通電壓鉗位在-0.7V左右。因此，GaN的開通和關斷電壓由Dz決定，和驅動器的供電電壓無關。
圖8 E-mode GaN 的阻容分壓驅動電路，0V關斷
更進一步的，如果在Dz的基礎上，再反向串聯一個Zener管，那么就可以實現負壓關斷。
圖9 E-mode GaN 的阻容分壓驅動電路，負壓關斷
如圖10所示，為NSD1624采用10V供電，通過阻容分壓的方式用于驅動E-mode GaN的典型應用電路。同樣的，隔離式驅動器NSI6602V/NSI6602N、NSI6601/NSI6601M也可以采用這種電路，用于驅動E-mode GaN。對于阻容分壓電路的原理與參數設計在E-mode GaN廠家的官網上都有相關應用筆記，在此不展開詳解。
圖10 NSD1624 阻容分壓式驅動電路，負壓關斷
盡管阻容分壓式驅動電路，可以采用傳統的Si MOSFET驅動器來驅動E-mode GaN，但是需要復雜的外圍電路設計，并且分壓式方案的穩壓管的寄生電容會影響到E-mode GaN的開關速度，應用會有一些局限性。對此，納芯微針對E-mode GaN推出了專門的直驅式驅動器，外圍電路設計更簡單，可靠性更高，可以充分發揮E-mode GaN的性能優勢。
1）NSD2621：E-mode GaN專用高壓半橋柵極驅動器
NSD2621是專為E-mode GaN設計的高壓半橋驅動芯片，該芯片采用了納芯微的成熟電容隔離技術，可以支持-700V到+700V耐壓，150V/ns的半橋中點dv/dt瞬變，同時具有低傳輸延時特性。高低邊的驅動輸出級都集成了LDO，在寬VCC供電范圍內均可輸出5~6V的驅動電壓，并可提供2A/-4A的峰值驅動電流，同時具備了UVLO 功能，保護電源系統的安全工作。NSD2621 可提供高集成度的LGA (4*4mm) 封裝，適用于高功率密度要求的應用場景。圖5為NSD2621的典型應用電路，相比分壓式電路，采用NSD2621無需電阻、電容、穩壓管等外圍電路，簡化了系統設計，并且驅動更可靠。
圖11 NSD2621典型應用電路
2）NSD2017：E-mode GaN專用單通道低邊柵極驅動器
NSD2017是專為驅動E-mode GaN設計的車規級單通道低邊驅動芯片，具有欠壓鎖定和過溫保護功能，可以支持5V供電，分離的OUTH和OUTL引腳用于分別調節GaN的開通和關斷速度，可以提供最大7A/-5A的峰值驅動電流。NSD2017動態性能出色，具備小于3ns的傳輸延時，支持1.25ns最小輸入脈寬以及皮秒級的上升下降時間，可應用于激光雷達和電源轉換器等應用。NSD2017有1.2mm*0.88mm WLCSP和2mm*2mm DFN車規級緊湊封裝可選，封裝具有最小的寄生電感，以減少上升和下降時間并限制振鈴幅值。
圖12 NSD2017典型應用電路
3）NSI6602V/NSI6602N：E-mode GaN隔離驅動
專門針對E-mode GaN隔離驅動的需求，納芯微調節NSI6602V/NSI6602N的欠壓點，使其可以直接用于驅動E-mode GaN：當采用0V關斷時，選擇4V UVLO版本；當采用負壓關斷時，可以選擇6V UVLO版本。需要注意的是，當采用NSI6602V/NSI6602N直接驅動E-mode GaN時，上管輸出必須采用單獨的隔離供電，而不能采用自舉供電。這是因為當下管E-mode GaN在死區時進入第三象限導通Vds為負壓，此時驅動上管如果采用自舉供電，那么自舉電容會被過充，容易導致上管E-mode GaN的柵極被過壓擊穿。圖13為NSI6602V/NSI6602N直驅E-mode GaN時的典型應用電路，提供+6V/-3V的驅動電壓。
圖13 NSI6602V/NSI6602N驅動E-mode GaN典型應用電路
NSG65N15K是納芯微最新推出的GaN功率芯片產品，內部集成了半橋驅動器和兩顆耐壓650V、導阻電阻150mΩ的E-mode GaN HEMT。NSG65N15K通過將驅動器和GaN合封在一起，消除了共源極電感Lcs，并且將柵極回路電感Lg也降到最小，避免了雜散電感的影響。NSG65N15K是9*9mm的QFN封裝，相比傳統分立方案的兩顆5*6mm DFN封裝的GaN開關管加上一顆4*4mm QFN封裝的高壓半橋驅動，加上外圍元件，總布板面積可以減小40%以上。此外，NSG65N15K內置可調死區時間、欠壓保護、過溫保護功能，有利于實現GaN 應用的安全、可靠工作，并充分發揮其高頻、高速的特性優勢，適用于各類中小功率GaN應用場合。
圖14 NSG65N15K芯片功能框圖
綜上所述，納芯微針對不同類型的GaN和各種應用場景，推出了一系列驅動IC解決方案，客戶可以根據需求自行選擇相應的產品：
免費送樣
如上產品現已量產/可提供樣片，如需申請樣片可郵件至sales@novosns.com或撥打0512-62601802-810進行咨詢。
