作為當(dāng)下熱門的第三代半導(dǎo)體技術(shù)，GaN在數(shù)據(jù)中心、光伏、儲能、電動汽車等市場都有著廣闊的應(yīng)用場景。和傳統(tǒng)的Si器件相比，GaN具有更高的開關(guān)頻率與更小的開關(guān)損耗，但對驅(qū)動IC與驅(qū)動電路設(shè)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(guān)的增強型（E-mode）兩種類型；按照應(yīng)用場景差異，GaN需要隔離或非隔離、低邊或自舉、零伏或負(fù)壓關(guān)斷等多種驅(qū)動方式。針對不同類型的GaN和各種應(yīng)用場景，納芯微推出了一系列驅(qū)動IC解決方案，助力于充分發(fā)揮GaN器件的性能優(yōu)勢。

01 耗盡型（D-mode）GaN 驅(qū)動方案

一、D-mode GaN類型與特點

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?yōu)槌ｊP(guān)型，主要包括級聯(lián)（Cascode）和直驅(qū)（Direct Drive）兩種技術(shù)架構(gòu)；其中，級聯(lián)型的D-mode GaN更為主流。如下圖1，級聯(lián)型的D-mode GaN是通過利用低壓Si MOSFET的開關(guān)帶動整體的開關(guān)，從而將常開型變?yōu)槌ｊP(guān)型。

圖1 級聯(lián)型D-mode GaN的結(jié)構(gòu)（圖源：納芯微）

盡管低壓Si MOS在導(dǎo)通時額外串入溝道電阻，并且參與了器件的整體開關(guān)過程，但由于低壓Si MOS的導(dǎo)通電阻和開關(guān)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(lián)型的D-mode GaN最大的優(yōu)勢在于可用傳統(tǒng)Si MOS的驅(qū)動電路，以0V/12V電平進(jìn)行關(guān)/開的控制。但需要注意的是，盡管驅(qū)動電路和Si MOS相同，但由于級聯(lián)架構(gòu)的D-mode GaN的開關(guān)頻率和速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的Si MOS，所以要求驅(qū)動IC能夠在很高的dv/dt環(huán)境下正常工作。

如下圖2和圖3所示為氮化鎵采用半橋拓?fù)涞湫蛻?yīng)用電路，GaN的高頻、高速開關(guān)會導(dǎo)致半橋中點的電位產(chǎn)生很高的dv/dt跳變，對于非隔離驅(qū)動IC，驅(qū)動芯片的內(nèi)部Level shifter寄生電容會在高dv/dt下產(chǎn)生共模電流；對于隔離驅(qū)動IC，驅(qū)動芯片的輸入輸出耦合電容同樣構(gòu)成共模電流路徑。這些共模電流耦合到信號輸入側(cè)會對輸入信號造成干擾，可能會觸發(fā)驅(qū)動芯片的誤動作，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)GaN發(fā)生橋臂直通。

圖2 非隔離半橋驅(qū)動IC的共模干擾傳播路徑（圖源：納芯微）

圖3 隔離半橋驅(qū)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(qū)動IC的一個重要指標(biāo)。對于GaN器件，特別是高壓、大功率應(yīng)用，推薦使用100V/ns以上CMTI的驅(qū)動IC，以滿足更高開關(guān)頻率、更快開關(guān)速度的需求。

二、納芯微D-mode GaN驅(qū)動方案

納芯微提供多款應(yīng)用于D-mode GaN的驅(qū)動解決方案，以滿足不同功率段、隔離或非隔離等不同應(yīng)用場景的需求。

1）NSD1624：高可靠性高壓半橋柵極驅(qū)動器

傳統(tǒng)的非隔離高壓半橋驅(qū)動IC一般采用level-shifter架構(gòu)，由于內(nèi)部寄生電容的限制，通常只能耐受50V/ns的共模瞬變。NSD1624創(chuàng)新地將隔離技術(shù)應(yīng)用于高壓半橋驅(qū)動IC的高邊驅(qū)動，將dv/dt耐受能力提高到150V/ns，并且高壓輸出側(cè)可以承受高達(dá)±1200V的直流電壓。此外，NSD1624具有+4/-6A驅(qū)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(hù)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(yīng)用，可適用于各種高壓半橋、全橋電源拓?fù)洹?/p>

圖4 NSD1624芯片功能框圖（圖源：納芯微）

2）NSI6602V/NSI6602N：第二代高性能隔離式雙通道柵極驅(qū)動器

NSI6602V/NSI6602N是納芯微第二代高性能隔離式雙通道柵極驅(qū)動器, 相比第一代產(chǎn)品進(jìn)一步增強了抗干擾能力和驅(qū)動能力，同時提高了輸入側(cè)的耐壓能力，且功耗更低，可以支持最高2MHz工作開關(guān)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(tǒng)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（圖源：納芯微）

圖5.2 NSI6602V芯片功能框圖（圖源：納芯微）

3）NSI6601/NSI6601M：隔離式單通道柵極驅(qū)動器

NSI6601/6601M 是隔離式單通道柵極驅(qū)動器，可以提供分離輸出用于分別控制上升和下降時間。驅(qū)動器的輸入側(cè)為3.1V至17V電源電壓供電，輸出側(cè)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(hù)。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(tǒng)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(dǎo)通風(fēng)險。

圖6.1 NSI6601 芯片功能框圖（圖源：納芯微）

圖6.2 NSI6601M 芯片功能框圖（圖源：納芯微）

02 增強型（E-mode）GaN驅(qū)動方案

一、E-mode GaN類型與特點

不同于Cascode D-mode GaN通過級聯(lián)低壓Si MOS來實現(xiàn)常關(guān)型，E-mode GaN直接對GaN柵極進(jìn)行p型摻雜來修改能帶結(jié)構(gòu)，改變柵極的導(dǎo)通閾值，從而實現(xiàn)常斷型器件。

根據(jù)柵極結(jié)構(gòu)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(shù)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(qū)動特性和方案。

圖7 電壓型E-mode GaN結(jié)構(gòu)（圖源：納芯微）

這種類型E-mode GaN的優(yōu)點是可以實現(xiàn)0V關(guān)斷、正壓導(dǎo)通，并且無需損害GaN的導(dǎo)通和開關(guān)特性。由于GaN沒有體二極管，不存在二極管的反向恢復(fù)問題，在硬開關(guān)場合可以有效降低開關(guān)損耗和EMI噪聲。然而，電壓型E-mode GaN驅(qū)動電壓范圍較窄，一般典型驅(qū)動電壓范圍在5~6V，并且開啟閾值也很低，對驅(qū)動回路的干擾與噪聲會比較敏感，設(shè)計不當(dāng)?shù)脑捜菀滓餑aN誤開通甚至柵極擊穿。

表1 E-mode GaN和Si Mos驅(qū)動電壓對比（圖源：納芯微）

*不同品牌的E-mode GaN柵極耐受負(fù)壓能力差別較大，有的僅能耐受-1.4V，有的可耐受-10V負(fù)壓。

在低電壓、小功率，或?qū)λ绤^(qū)損耗敏感的應(yīng)用中，一般可使用0V電壓關(guān)斷；但是在高電壓、大功率系統(tǒng)中，往往推薦采用負(fù)壓關(guān)斷來增強噪聲抗擾能力，保證可靠關(guān)斷。在設(shè)計柵極關(guān)斷的負(fù)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(guān)斷狀態(tài)下可以實現(xiàn)電流的反向流動即第三象限導(dǎo)通，但是反向?qū)▔航岛蜄艠O關(guān)斷的負(fù)壓值相關(guān)，用于柵極關(guān)斷的電壓越負(fù)，反向壓降就越大，相應(yīng)的會帶來更大的死區(qū)損耗。一般，對于500W以上高壓應(yīng)用，特別是硬開關(guān)，推薦-2V~-3V的關(guān)斷負(fù)壓。

表2 GaN/Si MOS/IGBT 不同狀態(tài)下電流路徑（圖源：納芯微）

? 考慮E-mode GaN的以上驅(qū)動特性，對驅(qū)動器和驅(qū)動電路的設(shè)計一般需要滿足：

◆ 具備100V/ns以上的CMTI，以滿足高頻應(yīng)用的抗擾能力；

◆可提供5~6V的驅(qū)動電壓，并且驅(qū)動器最好集成輸出級LDO；

◆ 驅(qū)動器最好有分開的OUTH和OUTL引腳，從而不必通過二極管來區(qū)分開通和關(guān)斷路徑，避免了二極管壓降造成GaN誤導(dǎo)通的風(fēng)險；

◆ 在高壓、大功率應(yīng)用特別是硬開關(guān)拓?fù)?，可以提供?fù)壓關(guān)斷能力；

◆ 盡可能小的傳輸延時和傳輸延時匹配，從而可以設(shè)定更小的死區(qū)時間，以減小死區(qū)損耗。

二、E-mode GaN驅(qū)動方案

一）分壓式方案

E-mode GaN可以采用傳統(tǒng)的Si MOS驅(qū)動器來設(shè)計驅(qū)動電路，需要通過阻容分壓電路做降壓處理。如圖8所示驅(qū)動電路，開通時E-mode GaN柵極電壓被Zener管穩(wěn)壓在6V左右，關(guān)斷時被Zener管的正向?qū)妷恒Q位在-0.7V左右。因此，GaN的開通和關(guān)斷電壓由Dz決定，和驅(qū)動器的供電電壓無關(guān)。

圖8 E-mode GaN 的阻容分壓驅(qū)動電路，0V關(guān)斷（圖源：納芯微）

更進(jìn)一步的，如果在Dz的基礎(chǔ)上，再反向串聯(lián)一個Zener管，那么就可以實現(xiàn)負(fù)壓關(guān)斷。

圖9 E-mode GaN 的阻容分壓驅(qū)動電路，負(fù)壓關(guān)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(qū)動E-mode GaN的典型應(yīng)用電路。同樣的，隔離式驅(qū)動器NSI6602V/NSI6602N、NSI6601/NSI6601M也可以采用這種電路，用于驅(qū)動E-mode GaN。對于阻容分壓電路的原理與參數(shù)設(shè)計在E-mode GaN廠家的官網(wǎng)上都有相關(guān)應(yīng)用筆記，在此不展開詳解。

圖10 NSD1624 阻容分壓式驅(qū)動電路，負(fù)壓關(guān)斷（圖源：納芯微）

二）直驅(qū)式方案

盡管阻容分壓式驅(qū)動電路，可以采用傳統(tǒng)的Si MOSFET驅(qū)動器來驅(qū)動E-mode GaN，但是需要復(fù)雜的外圍電路設(shè)計，并且分壓式方案的穩(wěn)壓管的寄生電容會影響到E-mode GaN的開關(guān)速度，應(yīng)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(qū)式驅(qū)動器，外圍電路設(shè)計更簡單，可靠性更高，可以充分發(fā)揮E-mode GaN的性能優(yōu)勢。

1）NSD2621：E-mode GaN專用高壓半橋柵極驅(qū)動器

NSD2621是專為E-mode GaN設(shè)計的高壓半橋驅(qū)動芯片，該芯片采用了納芯微的成熟電容隔離技術(shù)，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(qū)動輸出級都集成了LDO，在寬VCC供電范圍內(nèi)均可輸出5~6V的驅(qū)動電壓，并可提供2A/-4A的峰值驅(qū)動電流，同時具備了UVLO 功能，保護(hù)電源系統(tǒng)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(yīng)用場景。圖5為NSD2621的典型應(yīng)用電路，相比分壓式電路，采用NSD2621無需電阻、電容、穩(wěn)壓管等外圍電路，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，并且驅(qū)動更可靠。

圖11 NSD2621典型應(yīng)用電路（圖源：納芯微）

2）NSD2017：E-mode GaN專用單通道低邊柵極驅(qū)動器

NSD2017是專為驅(qū)動E-mode GaN設(shè)計的車規(guī)級單通道低邊驅(qū)動芯片，具有欠壓鎖定和過溫保護(hù)功能，可以支持5V供電，分離的OUTH和OUTL引腳用于分別調(diào)節(jié)GaN的開通和關(guān)斷速度，可以提供最大7A/-5A的峰值驅(qū)動電流。NSD2017動態(tài)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(yīng)用于激光雷達(dá)和電源轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。NSD2017有1.2mm*0.88mm WLCSP和2mm*2mm DFN車規(guī)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(yīng)用電路（圖源：納芯微）

3）NSI6602V/NSI6602N：E-mode GaN隔離驅(qū)動

專門針對E-mode GaN隔離驅(qū)動的需求，納芯微調(diào)節(jié)NSI6602V/NSI6602N的欠壓點，使其可以直接用于驅(qū)動E-mode GaN：當(dāng)采用0V關(guān)斷時，選擇4V UVLO版本；當(dāng)采用負(fù)壓關(guān)斷時，可以選擇6V UVLO版本。需要注意的是，當(dāng)采用NSI6602V/NSI6602N直接驅(qū)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(dāng)下管E-mode GaN在死區(qū)時進(jìn)入第三象限導(dǎo)通Vds為負(fù)壓，此時驅(qū)動上管如果采用自舉供電，那么自舉電容會被過充，容易導(dǎo)致上管E-mode GaN的柵極被過壓擊穿。圖13為NSI6602V/NSI6602N直驅(qū)E-mode GaN時的典型應(yīng)用電路，提供+6V/-3V的驅(qū)動電壓。

圖13 NSI6602V/NSI6602N驅(qū)動E-mode GaN典型應(yīng)用電路

03 GaN功率芯片方案

NSG65N15K是納芯微最新推出的GaN功率芯片產(chǎn)品，內(nèi)部集成了半橋驅(qū)動器和兩顆耐壓650V、導(dǎo)阻電阻150mΩ的E-mode GaN HEMT。NSG65N15K通過將驅(qū)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(tǒng)分立方案的兩顆5*6mm DFN封裝的GaN開關(guān)管加上一顆4*4mm QFN封裝的高壓半橋驅(qū)動，加上外圍元件，總布板面積可以減小40%以上。此外，NSG65N15K內(nèi)置可調(diào)死區(qū)時間、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)功能，有利于實現(xiàn)GaN 應(yīng)用的安全、可靠工作，并充分發(fā)揮其高頻、高速的特性優(yōu)勢，適用于各類中小功率GaN應(yīng)用場合。

圖14 NSG65N15K芯片功能框圖（圖源：納芯微）

04納芯微GaN驅(qū)動方案選型指南

綜上所述，納芯微針對不同類型的GaN和各種應(yīng)用場景，推出了一系列驅(qū)動IC解決方案，客戶可以根據(jù)需求自行選擇相應(yīng)的產(chǎn)品：

納芯微GaN驅(qū)動方案選型指南（圖源：納芯微）

免費送樣

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審核編輯 黃宇