納芯微提供全場景GaN驅動IC解決方案

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)常關型，E-mode GaN直接對GaN柵極進行p型摻雜來修改能帶結構，改變柵極的導通閾值，從而實現(xiàn)常斷型器件。

根據(jù)柵極結構不同，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的驅動特性和方案。

圖7 電壓型E-mode GaN結構

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

表1 E-mode GaN和Si Mos驅動電壓對比

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

在低電壓、小功率，或對死區(qū)損耗敏感的應用中，一般可使用0V電壓關斷；但是在高電壓、大功率系統(tǒng)中，往往推薦采用負壓關斷來增強噪聲抗擾能力，保證可靠關斷。在設計柵極關斷的負壓時，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在關斷狀態(tài)下可以實現(xiàn)電流的反向流動即第三象限導通，但是反向導通壓降和柵極關斷的負壓值相關，用于柵極關斷的電壓越負，反向壓降就越大，相應的會帶來更大的死區(qū)損耗。一般，對于500W以上高壓應用，特別是硬開關，推薦-2V~-3V的關斷負壓。

表2 GaN/Si MOS/IGBT 不同狀態(tài)下電流路徑

二、E-mode GaN驅動方案

一）分壓式方案

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

圖8 E-mode GaN 的阻容分壓驅動電路，0V關斷

更進一步的，如果在Dz的基礎上，再反向串聯(lián)一個Zener管，那么就可以實現(xiàn)負壓關斷。

圖9 E-mode GaN 的阻容分壓驅動電路，負壓關斷

如圖10所示，為NSD1624采用10V供電，通過阻容分壓的方式用于驅動E-mode GaN的典型應用電路。同樣的，隔離式驅動器NSI6602V/NSI6602N、NSI6601/NSI6601M也可以采用這種電路，用于驅動E-mode GaN。對于阻容分壓電路的原理與參數(shù)設計在E-mode GaN廠家的官網(wǎng)上都有相關應用筆記，在此不展開詳解。

圖10 NSD1624 阻容分壓式驅動電路，負壓關斷

盡管阻容分壓式驅動電路，可以采用傳統(tǒng)的Si MOSFET驅動器來驅動E-mode GaN，但是需要復雜的外圍電路設計，并且分壓式方案的穩(wěn)壓管的寄生電容會影響到E-mode GaN的開關速度，應用會有一些局限性。對此，納芯微針對E-mode GaN推出了專門的直驅式驅動器，外圍電路設計更簡單，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動器

NSD2621是專為E-mode GaN設計的高壓半橋驅動芯片，該芯片采用了納芯微的成熟電容隔離技術，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。高低邊的驅動輸出級都集成了LDO，在寬VCC供電范圍內均可輸出5~6V的驅動電壓，并可提供2A/-4A的峰值驅動電流，同時具備了UVLO 功能，保護電源系統(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用場景。圖5為NSD2621的典型應用電路，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)設計，并且驅動更可靠。

圖11 NSD2621典型應用電路

2）NSD2017：E-mode GaN專用單通道低邊柵極驅動器

NSD2017是專為驅動E-mode GaN設計的車規(guī)級單通道低邊驅動芯片，具有欠壓鎖定和過溫保護功能，可以支持5V供電，分離的OUTH和OUTL引腳用于分別調節(jié)GaN的開通和關斷速度，可以提供最大7A/-5A的峰值驅動電流。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，可應用于激光雷達和電源轉換器等應用。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典型應用電路

3）NSI6602V/NSI6602N：E-mode GaN隔離驅動

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

圖13? NSI6602V/NSI6602N驅動E-mode GaN典型應用電路

NSG65N15K是納芯微最新推出的GaN功率芯片產(chǎn)品，內部集成了半橋驅動器和兩顆耐壓650V、導阻電阻150mΩ的E-mode GaN HEMT。NSG65N15K通過將驅動器和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開關管加上一顆4*4mm QFN封裝的高壓半橋驅動，加上外圍元件，總布板面積可以減小40%以上。此外，NSG65N15K內置可調死區(qū)時間、欠壓保護、過溫保護功能，有利于實現(xiàn)GaN 應用的安全、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應用場合。

圖14 NSG65N15K芯片功能框圖

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