電源轉(zhuǎn)換器的設計人員正在尋找提高效率同時增加系統(tǒng)功率密度的方法。寬帶隙 (WBG) 技術提供了答案。由氮化鎵 (GaN) 制成的晶體管作為一種解決方案正變得越來越流行，但與其硅對應物一樣，單個器件在處理功率方面仍然存在限制。然而，當結(jié)合使用這些器件（GaN 晶體管）時，工程師不能簡單地從硅 MOSFET 切換到 GaN 器件。

并聯(lián)開關裝置和最佳驅(qū)動

理想情況下，當使用并聯(lián)開關時，所用器件的 R _DS(on)需要緊密匹配，以確保靜態(tài)電流在晶體管上均勻分布。還必須考慮動態(tài)切換期間由于不同的柵極閾值、PCB 走線阻抗等而導致的器件之間缺乏對稱性。如果不這樣做，可能會導致不良的高頻振蕩、滿足 EMC 要求的挑戰(zhàn)，甚至會損壞開關。

雖然硅 MOSFET 的并行操作是眾所周知的，但對許多工程師來說，驅(qū)動單個 GaN HEMT 將是一種全新的體驗。由于其出色的開關速度，在處理并行操作之前必須充分了解這一挑戰(zhàn)。

Infineon CoolGaN? 600 V HEMT 在柵極下方使用 p 摻雜 GaN，從而產(chǎn)生一個正向電壓約為 3.5 V 的 pn 二極管，與柵極電容 C _G并聯(lián)。這需要一個不同于硅 MOSFET 使用的驅(qū)動電路。二極管將柵極鉗位到接近 V _F的值，這意味著需要負電壓才能正確關閉晶體管。穩(wěn)定導通狀態(tài)和關斷/導通瞬態(tài)期間所需的驅(qū)動器也存在差異。

圖 1 中的電路解決了這個問題。通過 R _on的低阻抗快速交流通路打開器件，而 R _SS決定穩(wěn)態(tài)二極管電流。當關閉晶體管時，需要負柵極電壓 V _G。這是通過確保 C _on大于 C _{GS 來實現(xiàn)的}。

圖 1：E 模式 GaN HEMT 等效電路（左）和提議的驅(qū)動方案（右）。

單柵極驅(qū)動器，例如隔離式 EiceDRIVER? 1EDI20N12AF，是 CoolGaN HEMT 的理想伴侶。源極 (OUT+) 和漏極 (OUT-) 輸出分別使用正確的電壓實現(xiàn)晶體管的開啟/關閉。這可確保不超過柵極閾值，即使在 RC 網(wǎng)絡可能趨向于 0 V 的低占空比下，也能很好地定義V _G。

交流電路徑的影響

即使每個晶體管都有單獨的驅(qū)動電路，柵極驅(qū)動器回路中仍然有一個共享的電流路徑（圖 2），因為不可避免地會有一些電流流過開爾文源。即使是微小的毫伏差異也會導致兩個晶體管之間的嚴重振蕩。

圖 2：在并行 CoolGaN? 操作中，開爾文源路徑中的高阻抗可控制嚴重振蕩。

開爾文源路徑中的高阻抗共模 (CM) 電感器和 1 Ω 電阻器可解決此問題。圖 3 的仿真結(jié)果顯示了精心設計尺寸的 CM 電感器以避免損害驅(qū)動器能力的影響。

圖 3：仿真顯示了在不使用 CM 電感器（上圖）和使用 CM 電感器（下圖）的情況下切換 40 A 的影響。

PCB 設計的良好實踐

在高頻和電流下使用 GaN HEMT 時，雜散電感和電容引起問題的可能性很高，在并行操作時更是如此。然而，使用 SIMetrix 晶體管模型的模擬表明，對于小型且對稱的柵極驅(qū)動回路以及使用 CM 電感器，均流中的任何靜態(tài)不平衡僅與所選晶體管之間的R _DS(on)差異有關。

積累實踐經(jīng)驗

為了讓工程師能夠快速評估并聯(lián)運行的 GaN HEMT，英飛凌開發(fā)了一款并聯(lián)半橋評估板，其中包含四個 70 mΩ IGOT60R070D1。使用此處討論的設計指南，它為深入分析提供了廣泛的測試點。借助外部電感器，該板可用于降壓和升壓模式測試以及雙脈沖測試。脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 操作也可以用于頻率高達 1 MHz 和功率級別為幾千瓦的硬開關和軟開關。可以測試 28 A 的連續(xù)電流和 70 A 的峰值電流，以及適當?shù)纳崞?/font>

圖 4：并聯(lián)半橋 CoolGaN? 評估平臺

概括

充分了解所需的柵極驅(qū)動電路后，可以相對輕松地并行使用 GaN 功率晶體管。最大的挑戰(zhàn)與許多工程師使用當前的硅技術永遠無法體驗的高功率和開關頻率有關。通過遵循良好 PCB 布局的基本規(guī)則、在柵極和開爾文源路徑中使用 CM 電感器以及平衡晶體管之間的電流，破壞性振蕩的可能性被最小化。

　　審核編輯：湯梓紅