低壓GaN轉(zhuǎn)換器柵極驅(qū)動和測量

摘要

     本文討論了應(yīng)用氮化鎵場效應(yīng)晶體管(GaN FET)時，對柵極電壓進行精準控制和對柵極參數(shù)進行高精度測量的必要性。

引言

     氮化鎵場效應(yīng)晶體管(GaN FET)相較于硅FET，開關(guān)速度更快，封裝更小，功率損耗更低。這些特性使得電源轉(zhuǎn)換器能夠在更高頻率下運行，從而既能減小整體解決方案尺寸，又能保持高效率。雖然DC/DC轉(zhuǎn)換器的基本設(shè)計保持不變，但GaN帶來了額外的設(shè)計和測試挑戰(zhàn)。其中一個較為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是對柵極電壓和時序進行精準控制。這種控制可能很有難度，原因在于開關(guān)時間可能超過了傳統(tǒng)控制器和測試設(shè)備的處理能力。幸運的是，GaN專用的控制器和測量技術(shù)能夠解決這些問題，并確保電源設(shè)計穩(wěn)健可靠，同時不會增加額外的復(fù)雜性。

GaN性能和特性

     圖1顯示了一個12 V降壓型轉(zhuǎn)換器，它基于LTC7891同步控制器，用于驅(qū)動100 V GaN FET。以500 kHz頻率運行時，在20 A負載和48 V輸入下，它可實現(xiàn)97%的效率。這比目前的100 V硅FET效率高出約2%，功率損耗減少40%。*硅方案要實現(xiàn)這種性能，必須將開關(guān)頻率降低一半以上，并且需要使用更大的電感，整體解決方案尺寸會加大。該器件屬于新型控制器系列，專門設(shè)計用于滿足GaN的柵極驅(qū)動和開關(guān)要求，無需額外的元件。ADI公司針對GaN優(yōu)化的控制器產(chǎn)品系列還包括LTC7890（100 V雙通道降壓型控制器），以及LTC7893和LTC7892（分別為100 V升壓型和雙通道升壓型控制器）。

圖1.LTC7891降壓型轉(zhuǎn)換器原理圖

*LTC7891控制器提供4 V至5.5 V柵極驅(qū)動電壓，適合GaN和邏輯電平硅FET。LTC7897控制器提供5 V至10 V柵極驅(qū)動電壓，適合標(biāo)準電平硅FET。

柵極電壓

     硅FET的柵源電壓通常在4.5 V至10 V之間，絕對最大額定值為±20 V。相比之下，100 V GaN FET的柵源電壓可能規(guī)定為5 V，且為了確保器件的長期可靠性，其電壓范圍被限制在+6 V至-4 V之間。為了滿足這些GaN指標(biāo)，柵極電源必須保持高度穩(wěn)定，并且有極小的高頻過沖或下沖。雖然精密5 V電源對低邊FET而言已足夠，但要限制高邊FET的柵源電壓，必須使用額外的電路或GaN專用控制器。

柵極驅(qū)動器電源

     在圖2中，Bootstrap電容和二極管（CBOOT和DBOOT）實現(xiàn)了傳統(tǒng)的高邊柵極驅(qū)動電源。當(dāng)高邊(TOP)開關(guān)關(guān)斷時，受電感電流或低邊(BOT)開關(guān)導(dǎo)通的影響，開關(guān)節(jié)點變?yōu)榈碗娖健．?dāng)兩個開關(guān)均關(guān)斷時，硅FET的體二極管將開關(guān)節(jié)點的電壓限制在地電位以下約1 V。相比之下，GaN FET能夠反向?qū)ǎ涮匦灶愃朴? V至3 V體二極管。使用Bootstrap二極管時，負開關(guān)電壓會加到Bootstrap電容的電壓上，從而增加高邊FET的柵源電壓。或者，可使用智能開關(guān)來防止驅(qū)動器過充，從而無需額外的箝位二極管。此有源開關(guān)在BOT柵極導(dǎo)通后導(dǎo)通，產(chǎn)生一個不依賴于體二極管壓降的穩(wěn)定高邊柵極驅(qū)動電壓。在死區(qū)時間較長的情況下，這些控制器能夠承受開關(guān)節(jié)點上的負尖峰。在建立穩(wěn)定的高邊驅(qū)動器電源后，下一步是準確測量高邊FET的柵源電壓。

圖2.內(nèi)置智能Bootstrap開關(guān)的GaN控制器

柵極測量

     圖3顯示了基于GaN的降壓型轉(zhuǎn)換器的柵極和開關(guān)波形。在沒有串聯(lián)柵極開通電阻的情況下，TOP FET的柵源電壓(VTOP_GS)超過了GaN FET的+6 V最大柵源電壓額定值。增加一個2.2 Ω TGUP電阻可降低VTOP_GS，并抑制柵極和開關(guān)節(jié)點的振鈴。高阻抗示波器探頭捕獲了以地為基準的低邊柵極(VBG)和開關(guān)節(jié)點(VSW)波形。TOP FET的源極電壓(VSW)在VIN和地電位之間振蕩。GaN的高斜率（超過30 V/ns）和300 MHz振鈴超過了通常用于進行VTOP_GS測量的差分探頭的實際共模限值。幸運的是，可利用光隔離探頭來實現(xiàn)這一測量。此類探頭由Tektronix基于IsoVu?技術(shù)率先推出，擁有驚人的高頻共模抑制比(CMRR)，價格自然也不菲。

圖3.采用隔離探頭測量的導(dǎo)通波形

圖4.隔離探頭設(shè)置

     圖4顯示了實際工作場景中的隔離探頭。此類探頭通過光纜連接到示波器，既實現(xiàn)了電氣隔離，又有效降低了共模輸入電容。探頭的衰減器尖端直接插入MMCX連接器。探頭還可通過接頭引腳和MMCX轉(zhuǎn)方形引腳適配器連接到PCB測試點。為確保探頭發(fā)揮最佳性能，探頭尖端與PCB之間的連接應(yīng)盡可能短，并采取有效屏蔽措施。板載的MMCX連接器可提供最佳同軸連接，但務(wù)必從FET柵極和源極引出短開爾文走線。隔離探頭可能是測量高邊GaN柵極電壓的最佳方法，甚至可能是唯一可行的方法，但我們不妨比較一下另一種常見方法的表現(xiàn)。

無源探頭

     高邊柵極信號的測量，可利用兩個以地為基準的無源探頭、一個數(shù)字示波器和數(shù)學(xué)運算來實現(xiàn)。這種A-B或偽差分技術(shù)1盡管存在電壓范圍和CMRR有限的問題，但在評估低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的柵極時序時，仍然很受歡迎。進行高邊柵極測量之前，最好先快速檢查共模抑制性能。將兩個探頭連接到同一高dv/dt電壓，消除時序偏差，從一個通道的信號中減去另一個通道的信號，觀測剩余信號。如果CMRR足夠，則只應(yīng)看到很小的殘余電壓，遠低于實際的柵極信號。探頭負載效應(yīng)是另一個關(guān)鍵因素。理想情況下，探測不應(yīng)影響電路運行或波形。標(biāo)準高阻抗無源探頭的輸入阻抗為10 MΩ，且與3.9 pF至10 pF的電容并聯(lián)。相比之下，隔離探頭的接地電容較低（低于2 pF）。還有一些不太常見的低阻抗（500 Ω到5 kΩ）無源探頭**，其電容很低，這在此類測量中可能會有所幫助。

結(jié)果

     圖5將使用A-B方法捕獲的VG–VSW波形，與之前圖3中隔離探頭設(shè)置測得的VTOP_GS（以虛線顯示）進行了比較。在此測試中，選擇了低阻抗無源探頭(5 kΩ // < 2 pF)，原因是較高電容探頭(≥3.9 pF)會導(dǎo)致VSW的峰值幅度明顯下降，表明存在探頭負載效應(yīng)。柵極波形基本吻合，但A-B方法測得的殘余共模信號峰峰值達2.7 V。與7 V的VG–VSW信號峰峰值相比，該共模干擾較為顯著。高阻抗無源探頭顯示出類似水平的殘余共模噪聲，但測得的VG–VSW峰值降低了17%到30%，原因可能是負載效應(yīng)、匹配和響應(yīng)問題。

     圖6中的VG和VSW是使用單個無源探頭分兩步捕獲的。通過這種方法捕獲VG波形，并將其保存在存儲器中。然后移動該探頭，利用它捕獲VSW。請注意，連接到VSW的第二個探頭在兩次測量期間觸發(fā)示波器。利用通道數(shù)學(xué)運算功能，調(diào)取波形并進行相減運算。這種方法增加了一個步驟，但避免了探頭不匹配，從而改善了共模抑制。雖然高阻抗無源探頭的表現(xiàn)超出了預(yù)期，但低阻抗探頭提供的結(jié)果更接近于可信隔離探頭測得的結(jié)果，因此在這種情況下，后者是首選。

圖5.使用A-B方法進行TOP FET柵極測量(VG - VSW)

圖6.使用一個探頭進行TOP FET柵極測量(VG - VSW)

**指的是高頻低阻抗電阻分壓器、50 Ω或Z0探頭。

結(jié)語

     在尺寸和性能方面，低壓GaN DC/DC轉(zhuǎn)換器明顯優(yōu)于相應(yīng)的硅器件。然而，這些優(yōu)勢也伴隨著新的挑戰(zhàn)，包括需要對柵極電壓進行精準控制和對高邊柵極參數(shù)進行準確測量。只要將針對GaN優(yōu)化的控制器與適當(dāng)?shù)臏y量技術(shù)正確組合，便可解決這些挑戰(zhàn)，實現(xiàn)穩(wěn)健高效的設(shè)計，同時無需額外增加電路。

參考文獻

1 “Fundamentals of Floating Measurements and Isolated Input Oscilloscopes”，Tektronix。

作者：Kurk Mathews，高級應(yīng)用經(jīng)理

Luis Onofre Lazaro，應(yīng)用工程師

作者簡介

     Kurk Mathews是ADI公司電源產(chǎn)品部高級應(yīng)用經(jīng)理，工作地點位于加利福尼亞。他所在的部門負責(zé)支持電源應(yīng)用和新型控制器的開發(fā)。他喜歡使用各種新舊測試設(shè)備進行模擬電路設(shè)計和故障排除。Kurk畢業(yè)于亞利桑那大學(xué)，獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位。

Luis Onofre Lazaro是ADI公司功率控制部應(yīng)用工程師，工作地點位于加利福尼亞。Luis于2020年畢業(yè)于加州州立理工大學(xué)，獲電氣工程學(xué)士學(xué)位，之后加入ADI公司。