使用高压 GaN 器件提高电源可靠性

氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 提高了转换器效率，与具有相同额定电压的硅 FET 相比，具有更低的栅极电荷、更低的输出电荷和更低的导通电阻。在总线电压大于 380V 的高压 DC/DC 转换器应用中，耗尽型（d 型）GaN HEMT 比增强型（e 型）GaN HEMT 更受欢迎。

这是因为 d 模式 GaN HEMT 的栅极电压范围比 e 模式 GaN HEMT 宽得多。然而，d 模式 GaN HEMT 具有“常开”特性，这对于常见的开关模式电源应用来说并不理想。两种商用高压 GaN 器件（如图 1 所示）使用具有不同配置的 d 型 GaN HEMT 形成“常关”器件。

图 1：采用同步驱动技术的高压 GaN 器件（a）；和直接驱动技术 (b)

两种 GaN 器件都具有与低压硅 FET 串联的高压 GaN HEMT，但具有不同的驱动方案。采用同步驱动技术的高压 GaN 器件将其高压 GaN HEMT 栅极引脚与其低压硅 FET 的源极引脚短路。通过打开低压硅FET，我们可以控制整个设备的开/关。

同步驱动高压 GaN 器件有三种可能的状态：

·正向阻塞。当VDS,device> 0 且VGS,LV_SiVGS(th),LV_Si 时，高压 GaN HEMT 可以打开或关闭，具体取决于VDS,device是否高于高压 GaN HEMTVGS阈值电压 (VGS(th),HV_GaN)。注意VGS(th),LV_Si是低压硅 FET的VGS阈值电压。由于VGS,LV_SiVGS(th),LV_Si，低压硅FET处于截止状态，不传导任何电流。如果VDS,设备 |VGS(th),HV_GaN|，高压 GaN HEMT 保持导通状态，低压硅 FET 保持整个器件的VDS应力。如果VDS,device≥ |VGS(th),HV_GaN|，高压 GaN HEMT 关闭，高压 GaN HEMT 的VDS电压保持在VDS,device+VGS(th),HV_GaN，其中VGS(th) ,HV_GaN 0。

·正向传导。当VDS,device> 0 且VGS,LV_Si≥VGS(th),LV_Si 时，低压硅 FET 导通。无论高压GaN HEMT在进入正向导通状态之前是关断还是导通，低压硅FET的导通都会迫使VGS,HV_GaN≈ 0 并导通高压GaN HEMT。

·反向传导。当VDS,device 0 且VGS,LV_SiVGS(th),LV_Si,VGS,HV_GaN将钳位到低压硅 FET 体二极管正向电压。因此，电流将流过低压硅 FET 体二极管和高压 GaN HEMT。当VDS,device 0 且VGS,LV_Si≥VGS(th),LV_Si 时，低压硅 FET 导通，VGS,HV_GaN被强制为零。因此，电流流过低压硅 FET 和高压 GaN HEMT 的漏源沟道。

与同步驱动高压 GaN 器件不同，直接驱动高压 GaN 器件仅在其VDD电压高于欠压锁定后才将低压硅 FET 导通一次。我们可以分析这两种情况下的设备运行情况：

·如果没有VDD应用。当在施加正VDS,device 后VDD尚未施加到器件时，VGS,HV_GaN保持在零电压，低压硅 FET的VDS开始增加。当VDS电压增加到VGS(th),HV_GaN 时，高压 GaN HEMT 将关闭并保持VDS,device+VGS(th),HV_GaN 的电压。此操作类似于同步驱动高压 GaN 器件的正向阻断状态。

·与VDD施加。器件通过施加VDD 上电后，栅极驱动器可以产生负电压以直接关闭高压 GaN HEMT。一旦栅极驱动器控制了高压 GaN HEMT，低压硅 FET 就可以在移除VDD或检测到任何故障之前持续导通。

采用不同的驱动技术，同步驱动高压GaN器件和直接驱动高压GaN器件具有非常不同的特性。同步驱动高压 GaN 器件可用作硅 FET 的直接替代品。然而，低压硅 FET 与高压 GaN HEMT 同步切换。即，低压FET的体二极管可以在稳态操作中传导电流。因此，低压硅 FET 反向恢复电荷 (Qrr) 将引入额外的损耗并限制同步驱动高压 GaN 器件可实现的开关频率。

与同步驱动高压 GaN 器件相比，直接驱动高压 GaN 器件中的低压硅 FET 仅从关断到导通一次，并在稳定状态下保持导通。这消除了由于低电压硅 FET 体二极管引起的反向恢复效应。此外，栅极驱动器和启动逻辑的集成增加了整个电源的可靠性。

TI 的 600V LMG3410 GaN 器件采用直接驱动技术来实现零Qrr和更低的栅极电荷。还内置了具有 50nS 快速故障触发时间的过温保护 (OTP) 和过流保护 (OCP)。在具有图腾柱开关配置的电源中使用 TI 直接驱动 GaN 器件——就像图腾柱功率因数校正电路或电感 - 电感 - 电容器 (LLC) 串联谐振半桥转换器 - 可以消除直通和不正确的死区时间设置的担忧。

图 2 显示了使用 TI LMG3410 作为输入开关的 LLC 串联谐振半桥转换器的直通测试。在测试过程中，高边开关被强制打开，低边开关由驱动信号控制，占空比逐渐增加。一旦 OCP 跳闸，LMG3410 会迅速禁用其内部驱动器以关闭开关。这可以防止设备发生灾难性故障。

图 2：对 LLC 串联谐振半桥转换器进行的 TI LMG3410 直通测试：C1 = 低侧开关驱动信号，CH2 = 开关节点电压，CH3 = 高侧开关驱动信号，CH4 = 初级电感器电流

我们还在同一个 LLC 串联谐振半桥板上测试了 LMG3410 OTP，死区时间设置不正确，以迫使转换器进入硬开关操作。我们可以观看OTP 测试视频。

通过在这款零QrrGaN 器件中内置 OCP 和 OTP，我们已经解决了图腾柱开关中最令人担忧的问题。