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採用直接驅動設計 GaN FET開關控制效率增

文‧Paul L. Brohlin/Yogesh K. Ramadass/Cetin Kaya 發布日期:2019/12/12 關鍵字:氮化鎵IGBTMOSFETTIGaN HEMT

高壓(600V)氮化鎵(GaN)高電子移動率電晶體(HEMTs)的開關性能支持新的拓撲結構,能夠提升開關電源效率和密度。GaN的終端電容(Ciss/Coss/Crss)較低,且無第三象限反向恢復(Reverse Recovery)。這些特性支持高頻硬開關拓撲結構,如圖騰柱無橋式功率因數控制器(PFCs),其高開關損耗無法藉由MOSFET和絕緣閘雙極晶體管(IGBT)實現。本文將強調直接驅動GaN晶體管的好處,包括較低的開關損耗、提升開關速度(Slew Rate)控制和強化裝置保護功能等。

在設計開關電源時,主要品質因數(FOM)包括成本、尺寸和效率。將這三個FOM結合在一起,就需要綜合考慮多種因素。例如,提高開關效率雖然可以減少磁性元件的尺寸和成本,但也會增加磁性元件的損耗和電源裝置的開關損耗。由於GaN的截止電容較低且無二極管反向恢復,因此與MOSFET和IGBT相比,GaN HEMT有顯著降低損耗的能力。正常情況下,MOSFET/IGBT驅動器會提供合適的開啟和關閉電流以支持輸入電容。驅動器輸出和裝置閘極之間的外部電阻能控制開關速度,並抑制功率和閘極迴路振鈴。隨著GaN的開關速度增加,外部零組件會增加過多的寄生電感(Parasitic Inductance)來控制開關。藉由GaN裝置將驅動器整合到封裝中,可以大幅減少寄生電感,降低開關損耗,並最佳化驅動控制。

GaN中的本體二維電子氣(2-DEG)層可以在源極和汲極之間使裝置在零閘-源電壓下導通。為安全起見,當偏壓功率不可用時,必須關閉開關電源供應器使用的功率裝置後才能斷開輸入和輸出的連接。為了模擬增強型裝置,將低壓MOSFET與GaN源串聯。圖1顯示了實現這一點的兩種不同配置:串接和直接驅動。

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