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如何使用GaNFET设计四开关降压-升压DC-DC转换器?

10/25 09:40
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在不断追求减小电路板尺寸和提高效率的征途中,氮化镓场效应晶体管(GaNFET)功率器件已成为破解目前难题的理想选择。GaN是一项新兴技术,有望进一步提高功率、开关速度以及降低开关损耗。这些优势让功率密度更高的解决方案成为可能。

当前市场上充斥着大量不同的Si MOSFET驱动器,而新的GaN驱动器和内置GaN驱动器的控制器还需要几年才能面世。除了简单的专用GaNFET驱动器(如 LT8418)外,市场上还存在针对GaN的复杂降压和升压控制器(如LTC7890, LTC7891)。目前的四开关降压-升压解决方案仍有些复杂,但驱动GaNFET并不像看起来那么困难。利用一些简单的背景知识,可以通过调整针对Si MOSFET的控制器来驱动GaNFET。LT8390A是一个很好的选择。这是一款专业的2 MHz降压-升压控制器,死区时间(25 ns)非常短,参见图1。该降压-升压方案的检测电阻电感串联,且位于两个热环路的外部,这是降压-升压方案的一个新特性,让控制器能够在升压和降压工作区域(以及四开关降压-升压)中以峰值电流控制模式运行。本文深入探讨了四开关降压-升压GaNFET控制,但其原理同样适用于简单的降压或升压控制器。

图1. EVAL-LT8390A-AZ 24 VOUT 5 A 4 四开关降压-升压GaN控制器原理图

5 V栅极驱动器必不可少

对于高功率转换,硅驱动器通常工作在5 V以上,典型的硅MOSFET栅极驱动器电压范围为7 V至10 V甚至更高。这对GaNFET提出了挑战,因为其绝对最大栅极电压额定值通常为6 V。甚至栅极和源极回路上的杂散PCB电感引起的振铃如果超过最大栅极电压,也可能导致灾难性的故障。相关设计人员必须仔细考虑布局,尽可能降低栅极和源极回路上的电感,才能安全有效地驱动GaNFET。除了布局之外,实施器件级保护对于防止栅极发生灾难性过压也很重要。

LT8390A提供专为较低栅极驱动FET设计的5 V栅极驱动器,因而是驱动GaNFET的理想选择。问题是硅FET驱动器通常缺乏针对意外过压的保护。更具体地说,硅栅极驱动器上顶部FET的自举电源不受调节,这意味着顶部栅极驱动器很容易漂移到GaNFET的绝对最大电压以上。图2提供了解决此问题的方案:将一个5.1 V齐纳二极管(D5和D6)与自举电容并联,以将该电压箝位在GaNFET的推荐驱动电平,进而确保栅极电压始终在安全工作范围内。

图2. 带有GaN控制保护元件的简化四开关降压-升压GaN控制器原理图

此外,为了提供更好的保护,添加一个10 Ω电阻与自举二极管(D3和D4)串联,以减小超快速和高功率开关节点可能引起的任何振铃。

死区时间和体二极管挑战

传统转换器中有一个续流二极管,它在关断期间导通。同步转换器用另一个开关代替续流二极管,以减少二极管的正向导通损耗。然而,如果顶部和底部开关同时导通,就会发生故障,导致击穿。如果发生击穿,则两个FET都可能短路接地,进而造成器件故障和其他灾难性后果。为了防止这种情况,控制器设置了死区时间,即顶部和底部开关均不导通的时间段。典型同步DC-DC控制器实现的死区时间长达60 ns。体二极管在此期间导通,因此对于硅MOSFET来说,该死区时间不会造成麻烦。

GaNFET没有体二极管,导通和关断的速度比硅MOSFET快得多。GaNFET可以在2 V至4 V的电压下导通,而二极管的典型导通电压为0.7 V。导通电压乘以导通电流,可能导致死区时间内的功率损耗增加近6倍。功率损耗的增加,加上较长的死区时间,可能造成FET过热和损坏。比较好的解决方案是尽量缩短死区时间。然而,原本用于硅FET的控制器是根据硅FET缓慢的通断特性(数十纳秒)来设计死区时间,为防止击穿,死区时间通常较长。

LT8390A设定的死区时间为25 ns,与市场上的许多同步控制器相比,该死区时间相对较短。该器件适用于高频、高功率MOSFET控制,但对于GaNFET来说仍然太长。GaNFET的导通速度很快,仅几纳秒。因此,为了减少死区时间内的额外导通损耗,建议添加一个续流肖特基二极管与同步GaNFET反向并联,将导通路径转移到损耗较小的路径。图2中的D1和D2说明了肖特基二极管应放置在哪个FET上。D1跨接于同步降压侧FET,而D2跨接于同步升压侧FET。简单的降压转换器只需要放置D1。对于简单的升压转换器,需使用D2。

更高频率、更高功率

LT8390A的开关频率高达2 MHz。GaNFET的开关损耗显著低于Si MOSFET,开关频率和电压更高时,其功率损耗与后者相近。EVAL-LT8390A-AZGaNFET板将开关频率设置为2 MHz,以突出 GaNFET在效率和尺寸方面的优势。

在室温、24 V输出下,GaNFET可产生120 W功率。该板尺寸与之前的LT8390A评估板 DC2598A相当,后者使用硅MOSFET,并提供12 VOUT和48 W功率。图3展示了2 MHz GaN降压-升压电路的最大功率能力,而图4比较了两种评估板的效率。即使在电压更高、输出功率高2.5倍的情况下,GaNFET板的效率也高于Si MOSFET板。在电路板面积相似时,使用GaNFET可以以更高的电压和功率运行。

图3. EVAL-LT8390A-AZ最大输出电流与输入电压的关系,该板可在高频下通 过宽输入范围产生120 W功率

图4. EVAL-LT8390A-AZ GaN控制器效率与DC2598A Si MOSFET控制器效率,GaNFET在更高电压下提供更高的效率

结论

如果没有专门用于驱动GaNFET的DC-DC控制器,我们仍然可以有效地驱动GaNFET。在电路板面积近似时,即便使用原本用于驱动Si MOSFET的控制器,EVAL-LT8390A-AZ也能轻松输出更大的功率并实现更高的效率。表1推荐了多款用于驱动GaNFET的控制器。如果功率要求更高,例如并联降压-升压GaNFET控制,请联系厂家。通过研究提供5 V栅极驱动器的控制器并整合额外的外部保护电路元件,我们可以安全地驱动GaNFET,并探索电源转换设计中的更多选择。

表1. 与GaNFET兼容的DC-DC控制器

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亚德诺半导体全称为亚德诺半导体技术有限公司(analog devices,inc.)简称ADI。是一家专营半导体传感器和信号处理ic的卓越的供应商,ADI将创新、业绩和卓越作为企业的文化支柱,并基此成长为该技术领域最持久高速增长的企业之一。ADI是业界卓越的半导体公司,在模拟信号、混合信号和数字信号处理的设计与制造领域都发挥着十分重要的作用。

亚德诺半导体全称为亚德诺半导体技术有限公司(analog devices,inc.)简称ADI。是一家专营半导体传感器和信号处理ic的卓越的供应商,ADI将创新、业绩和卓越作为企业的文化支柱,并基此成长为该技术领域最持久高速增长的企业之一。ADI是业界卓越的半导体公司,在模拟信号、混合信号和数字信号处理的设计与制造领域都发挥着十分重要的作用。收起

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