氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GaN FET)相較于硅FET,開(kāi)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(yùn)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(jì)保持不變,但GaN帶來(lái)了額外的設(shè)計(jì)和測(cè)試挑戰(zhàn)。其中一個(gè)較為關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是對(duì)柵極電壓和時(shí)序進(jìn)行精準(zhǔn)控制。這種控制可能很有難度,原因在于開(kāi)關(guān)時(shí)間可能超過(guò)了傳統(tǒng)控制器和測(cè)試設(shè)備的處理能力。幸運(yùn)的是,GaN專用的控制器和測(cè)量技術(shù)能夠解決這些問(wèn)題,并確保電源設(shè)計(jì)穩(wěn)健可靠,同時(shí)不會(huì)增加額外的復(fù)雜性。

GaN性能和特性

圖1顯示了一個(gè)12 V降壓型轉(zhuǎn)換器,它基于LTC7891同步控制器,用于驅(qū)動(dòng)100 V GaN FET。以500 kHz頻率運(yùn)行時(shí),在20 A負(fù)載和48 V輸入下,它可實(shí)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(shí)現(xiàn)這種性能,必須將開(kāi)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(huì)加大。該器件屬于新型控制器系列,專門設(shè)計(jì)用于滿足GaN的柵極驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)要求,無(wú)需額外的元件。ADI公司針對(duì)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(dòng)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(dòng)電壓,適合標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(zhǎng)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(guò)沖或下沖。雖然精密5 V電源對(duì)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(dòng)器電源

在圖2中,Bootstrap電容和二極管(C_BOOT和D_BOOT )實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的高邊柵極驅(qū)動(dòng)電源。當(dāng)高邊(TOP)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí),受電感電流或低邊(BOT)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的影響,開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)變?yōu)榈碗娖?。?dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)均關(guān)斷時(shí),硅FET的體二極管將開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)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)?其特性類似于2 V至3 V體二極管。使用Bootstrap二極管時(shí),負(fù)開(kāi)關(guān)電壓會(huì)加到Bootstrap電容的電壓上,從而增加高邊FET的柵源電壓?；蛘?可使用智能開(kāi)關(guān)來(lái)防止驅(qū)動(dòng)器過(guò)充,從而無(wú)需額外的箝位二極管。此有源開(kāi)關(guān)在BOT柵極導(dǎo)通后導(dǎo)通,產(chǎn)生一個(gè)不依賴于體二極管壓降的穩(wěn)定高邊柵極驅(qū)動(dòng)電壓。在死區(qū)時(shí)間較長(zhǎng)的情況下,這些控制器能夠承受開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的負(fù)尖峰。在建立穩(wěn)定的高邊驅(qū)動(dòng)器電源后,下一步是準(zhǔn)確測(cè)量高邊FET的柵源電壓。

圖3. 采用隔離探頭測(cè)量的導(dǎo)通波形

柵極測(cè)量

圖3顯示了基于GaN的降壓型轉(zhuǎn)換器的柵極和開(kāi)關(guān)波形。在沒(méi)有串聯(lián)柵極開(kāi)通電阻的情況下,TOP FET的柵源電壓(V_{TOP_GS} )超過(guò)了GaN FET的+6 V最大柵源電壓額定值。增加一個(gè)2.2 Ω TGUP電阻可降低 V_{TOP_GS},并抑制柵極和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴。高阻抗示波器探頭捕獲了以地為基準(zhǔn)的低邊柵極(V_BG)和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)(V_SW)波形。TOP FET的源極電壓(V_SW)在 V_IN和地電位之間振蕩。GaN的高斜率(超過(guò)30 V/ns)和300 MHz振鈴超過(guò)了通常用于進(jìn)行V_{TOP_GS}測(cè)量的差分探頭的實(shí)際共模限值。幸運(yùn)的是,可利用光隔離探頭來(lái)實(shí)現(xiàn)這一測(cè)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(jià)格自然也不菲。

圖3. 采用隔離探頭測(cè)量的導(dǎo)通波形

圖4顯示了實(shí)際工作場(chǎng)景中的隔離探頭。此類探頭通過(guò)光纜連接到示波器,既實(shí)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(guò)接頭引腳和MMCX轉(zhuǎn)方形引腳適配器連接到PCB測(cè)試點(diǎn)。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(kāi)爾文走線。隔離探頭可能是測(cè)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(jiàn)方法的表現(xiàn)。

圖4. 隔離探頭設(shè)置

無(wú)源探頭

高邊柵極信號(hào)的測(cè)量,可利用兩個(gè)以地為基準(zhǔn)的無(wú)源探頭、一個(gè)數(shù)字示波器和數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種A-B或偽差分技術(shù)盡管存在電壓范圍和CMRR有限的問(wèn)題,但在評(píng)估低壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的柵極時(shí)序時(shí),仍然很受歡迎。進(jìn)行高邊柵極測(cè)量之前,最好先快速檢查共模抑制性能。將兩個(gè)探頭連接到同一高dv/dt電壓,消除時(shí)序偏差,從一個(gè)通道的信號(hào)中減去另一個(gè)通道的信號(hào),觀測(cè)剩余信號(hào)。如果CMRR足夠,則只應(yīng)看到很小的殘余電壓,遠(yuǎn)低于實(shí)際的柵極信號(hào)。探頭負(fù)載效應(yīng)是另一個(gè)關(guān)鍵因素。理想情況下,探測(cè)不應(yīng)影響電路運(yùn)行或波形。標(biāo)準(zhǔn)高阻抗無(wú)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(jiàn)的低阻抗(500 Ω到5 kΩ)無(wú)源探頭**,其電容很低,這在此類測(cè)量中可能會(huì)有所幫助。

**指的是高頻低阻抗電阻分壓器、50 Ω或Z0探頭。

結(jié)果

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

圖5. 使用A-B方法進(jìn)行TOP FET柵極測(cè)量(V_G - V_SW )

圖6中的V_G 和V_SW是使用單個(gè)無(wú)源探頭分兩步捕獲的。通過(guò)這種方法捕獲V_G波形,并將其保存在存儲(chǔ)器中。然后移動(dòng)該探頭,利用它捕獲V_SW。請(qǐng)注意,連接到V_SW的第二個(gè)探頭在兩次測(cè)量期間觸發(fā)示波器。利用通道數(shù)學(xué)運(yùn)算功能,調(diào)取波形并進(jìn)行相減運(yùn)算。這種方法增加了一個(gè)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(wú)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(cè)得的結(jié)果,因此在這種情況下,后者是首選。

圖6. 使用一個(gè)探頭進(jìn)行TOP FET柵極測(cè)量(V_G - V_SW )

結(jié)語(yǔ)

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(shì)也伴隨著新的挑戰(zhàn),包括需要對(duì)柵極電壓進(jìn)行精準(zhǔn)控制和對(duì)高邊柵極參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。只要將針對(duì)GaN 優(yōu)化的控制器與適當(dāng)?shù)臏y(cè)量技術(shù)正確組合,便可解決這些挑戰(zhàn),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健高效的設(shè)計(jì),同時(shí)無(wú)需額外增加電路。