纳芯微提供全场景GaN驱动IC解决方案

2024-11-14 来源：纳芯微电子

作为当下热门的第三代半导体技术，GaN在数据中心、光伏、储能、电动汽车等市场都有着广阔的应用场景。和传统的Si器件相比，GaN具有更高的开关频率与更小的开关损耗，但对驱动IC与驱动电路设计也提出了更高的要求。

按照栅极特性差异，GaN分为常开的耗尽型（D-mode）和常关的增强型（E-mode）两种类型；按照应用场景差异，GaN需要隔离或非隔离、低边或自举、零伏或负压关断等多种驱动方式。针对不同类型的GaN和各种应用场景，纳芯微推出了一系列驱动IC解决方案，助力于充分发挥GaN器件的性能优势。

01 耗尽型（D-mode）GaN 驱动方案

一、D-mode GaN类型与特点

由于常开的耗尽型GaN本身无法直接使用，需要通过增加外围元器件的方式，将D-mode GaN从常开型变为常关型，主要包括级联（Cascode）和直驱（Direct Drive）两种技术架构；其中，级联型的D-mode GaN更为主流。如下图1，级联型的D-mode GaN是通过利用低压Si MOSFET的开关带动整体的开关，从而将常开型变为常关型。

图1 级联型D-mode GaN的结构

尽管低压Si MOS在导通时额外串入沟道电阻，并且参与了器件的整体开关过程，但由于低压Si MOS的导通电阻和开关性能本身就很理想，所以对GaN器件的整体影响非常有限。

级联型的D-mode GaN最大的优势在于可用传统Si MOS的驱动电路，以0V/12V电平进行关/开的控制。但需要注意的是，尽管驱动电路和Si MOS相同，但由于级联架构的D-mode GaN的开关频率和速度远高于传统的Si MOS，所以要求驱动IC能够在很高的dv/dt环境下正常工作。

如下图2和图3所示为氮化镓采用半桥拓扑典型应用电路，GaN的高频、高速开关会导致半桥中点的电位产生很高的dv/dt跳变，对于非隔离驱动IC，驱动芯片的内部Level shifter寄生电容会在高dv/dt下产生共模电流；对于隔离驱动IC，驱动芯片的输入输出耦合电容同样构成共模电流路径。这些共模电流耦合到信号输入侧会对输入信号造成干扰，可能会触发驱动芯片的误动作，严重时甚至会引发GaN发生桥臂直通。

图2 非隔离半桥驱动IC的共模干扰传播路径

图3 隔离半桥驱动IC的共模干扰传播路径

因此，共模瞬变抗扰度（CMTI）是选择GaN驱动IC的一个重要指标。对于GaN器件，特别是高压、大功率应用，推荐使用100V/ns以上CMTI的驱动IC，以满足更高开关频率、更快开关速度的需求。

二、纳芯微D-mode GaN驱动方案

纳芯微提供多款应用于D-mode GaN的驱动解决方案，以满足不同功率段、隔离或非隔离等不同应用场景的需求。

1）NSD1624：高可靠性高压半桥栅极驱动器

传统的非隔离高压半桥驱动IC一般采用level-shifter架构，由于内部寄生电容的限制，通常只能耐受50V/ns的共模瞬变。NSD1624创新地将隔离技术应用于高压半桥驱动IC的高边驱动，将dv/dt耐受能力提高到150V/ns，并且高压输出侧可以承受高达±1200V的直流电压。此外，NSD1624具有+4/-6A驱动电流能力，能工作在10~20V 电压范围，高边和低边输出均有独立的供电欠压保护功能（UVLO）。NSD1624 可提供SOP14，SOP8，与小体积的LGA 4*4mm封装，非常适合高密度电源的应用，可适用于各种高压半桥、全桥电源拓扑。

图4 NSD1624芯片功能框图

2）NSI6602V/NSI6602N：第二代高性能隔离式双通道栅极驱动器

NSI6602V/NSI6602N是纳芯微第二代高性能隔离式双通道栅极驱动器, 相比第一代产品进一步增强了抗干扰能力和驱动能力，同时提高了输入侧的耐压能力，且功耗更低，可以支持最高2MHz工作开关频率。每个通道输出以快速的25ns传播延迟和5ns的最大延迟匹配来提供最大6A/8A的拉灌电流能力，150V/ns的共模瞬变抗扰度(CMTI) 提高了系统抗共模干扰能力。NSI6602V/NSI6602N有多个封装可供选择，最小封装是4*4mm LGA 封装，可用于GaN等功率密度要求高的场景。

图5.1 NSI6602N 芯片功能框图

图5.2 NSI6602V芯片功能框图

3）NSI6601/NSI6601M：隔离式单通道栅极驱动器

NSI6601/6601M 是隔离式单通道栅极驱动器，可以提供分离输出用于分别控制上升和下降时间。驱动器的输入侧为3.1V至17V电源电压供电，输出侧最大电源电压为32V，输入输出电源引脚均支持欠压锁定（UVLO）保护。它可以提供5A/5A 的拉/灌峰值电流，最低150V/ns的共模瞬变抗扰度（CMTI）确保了系统鲁棒性。此外，NSI6601M还集成了米勒钳位功能，可以有效抑制因米勒电流造成的误导通风险。

图6.1 NSI6601 芯片功能框图

图6.2 NSI6601M 芯片功能框图

02 增强型（E-mode）GaN驱动方案

一、E-mode GaN类型与特点

不同于Cascode D-mode GaN通过级联低压Si MOS来实现常关型，E-mode GaN直接对GaN栅极进行p型掺杂来修改能带结构，改变栅极的导通阈值，从而实现常断型器件。

根据栅极结构不同，E-mode GaN又分为欧姆接触的电流型和肖特基接触的电压型两种技术路线，其中电压型E-mode GaN最为主流，下文将主要介绍该类型GaN的驱动特性和方案。

图7 电压型E-mode GaN结构

这种类型E-mode GaN的优点是可以实现0V关断、正压导通，并且无需损害GaN的导通和开关特性。由于GaN没有体二极管，不存在二极管的反向恢复问题，在硬开关场合可以有效降低开关损耗和EMI噪声。然而，电压型E-mode GaN驱动电压范围较窄，一般典型驱动电压范围在5~6V，并且开启阈值也很低，对驱动回路的干扰与噪声会比较敏感，设计不当的话容易引起GaN误开通甚至栅极击穿。

表1 E-mode GaN和Si Mos驱动电压对比

*不同品牌的E-mode GaN栅极耐受负压能力差别较大，有的仅能耐受-1.4V，有的可耐受-10V负压。

在低电压、小功率，或对死区损耗敏感的应用中，一般可使用0V电压关断；但是在高电压、大功率系统中，往往推荐采用负压关断来增强噪声抗扰能力，保证可靠关断。在设计栅极关断的负压时，除了需要考虑GaN本身的栅极耐压能力外，还需要考虑对效率的影响。如下表所示，这是因为E-mode GaN在关断状态下可以实现电流的反向流动即第三象限导通，但是反向导通压降和栅极关断的负压值相关，用于栅极关断的电压越负，反向压降就越大，相应的会带来更大的死区损耗。一般，对于500W以上高压应用，特别是硬开关，推荐-2V~-3V的关断负压。

表2 GaN/Si MOS/IGBT 不同状态下电流路径

➯ 考虑E-mode GaN的以上驱动特性，对驱动器和驱动电路的设计一般需要满足：

◆ 具备100V/ns以上的CMTI，以满足高频应用的抗扰能力；

◆可提供5~6V的驱动电压，并且驱动器最好集成输出级LDO；

◆ 驱动器最好有分开的OUTH和OUTL引脚，从而不必通过二极管来区分开通和关断路径，避免了二极管压降造成GaN误导通的风险；

◆ 在高压、大功率应用特别是硬开关拓扑，可以提供负压关断能力；

◆ 尽可能小的传输延时和传输延时匹配，从而可以设定更小的死区时间，以减小死区损耗。

二、E-mode GaN驱动方案

一）分压式方案

E-mode GaN可以采用传统的Si MOS驱动器来设计驱动电路，需要通过阻容分压电路做降压处理。如图8所示驱动电路，开通时E-mode GaN栅极电压被Zener管稳压在6V左右，关断时被Zener管的正向导通电压钳位在-0.7V左右。因此，GaN的开通和关断电压由Dz决定，和驱动器的供电电压无关。

图8 E-mode GaN 的阻容分压驱动电路，0V关断

更进一步的，如果在Dz的基础上，再反向串联一个Zener管，那么就可以实现负压关断。

图9 E-mode GaN 的阻容分压驱动电路，负压关断

如图10所示，为NSD1624采用10V供电，通过阻容分压的方式用于驱动E-mode GaN的典型应用电路。同样的，隔离式驱动器NSI6602V/NSI6602N、NSI6601/NSI6601M也可以采用这种电路，用于驱动E-mode GaN。对于阻容分压电路的原理与参数设计在E-mode GaN厂家的官网上都有相关应用笔记，在此不展开详解。

图10 NSD1624 阻容分压式驱动电路，负压关断

二）直驱式方案

尽管阻容分压式驱动电路，可以采用传统的Si MOSFET驱动器来驱动E-mode GaN，但是需要复杂的外围电路设计，并且分压式方案的稳压管的寄生电容会影响到E-mode GaN的开关速度，应用会有一些局限性。对此，纳芯微针对E-mode GaN推出了专门的直驱式驱动器，外围电路设计更简单，可靠性更高，可以充分发挥E-mode GaN的性能优势。

1）NSD2621：E-mode GaN专用高压半桥栅极驱动器

NSD2621是专为E-mode GaN设计的高压半桥驱动芯片，该芯片采用了纳芯微的成熟电容隔离技术，可以支持-700V到+700V耐压，150V/ns的半桥中点dv/dt瞬变，同时具有低传输延时特性。高低边的驱动输出级都集成了LDO，在宽VCC供电范围内均可输出5~6V的驱动电压，并可提供2A/-4A的峰值驱动电流，同时具备了UVLO 功能，保护电源系统的安全工作。NSD2621 可提供高集成度的LGA (4*4mm) 封装，适用于高功率密度要求的应用场景。图5为NSD2621的典型应用电路，相比分压式电路，采用NSD2621无需电阻、电容、稳压管等外围电路，简化了系统设计，并且驱动更可靠。

图11 NSD2621典型应用电路

2）NSD2017：E-mode GaN专用单通道低边栅极驱动器

NSD2017是专为驱动E-mode GaN设计的车规级单通道低边驱动芯片，具有欠压锁定和过温保护功能，可以支持5V供电，分离的OUTH和OUTL引脚用于分别调节GaN的开通和关断速度，可以提供最大7A/-5A的峰值驱动电流。NSD2017动态性能出色，具备小于3ns的传输延时，支持1.25ns最小输入脉宽以及皮秒级的上升下降时间，可应用于激光雷达和电源转换器等应用。NSD2017有1.2mm*0.88mm WLCSP和2mm*2mm DFN车规级紧凑封装可选，封装具有最小的寄生电感，以减少上升和下降时间并限制振铃幅值。

图12 NSD2017典型应用电路

3）NSI6602V/NSI6602N：E-mode GaN隔离驱动

专门针对E-mode GaN隔离驱动的需求，纳芯微调节NSI6602V/NSI6602N的欠压点，使其可以直接用于驱动E-mode GaN：当采用0V关断时，选择4V UVLO版本；当采用负压关断时，可以选择6V UVLO版本。需要注意的是，当采用NSI6602V/NSI6602N直接驱动E-mode GaN时，上管输出必须采用单独的隔离供电，而不能采用自举供电。这是因为当下管E-mode GaN在死区时进入第三象限导通Vds为负压，此时驱动上管如果采用自举供电，那么自举电容会被过充，容易导致上管E-mode GaN的栅极被过压击穿。图13为NSI6602V/NSI6602N直驱E-mode GaN时的典型应用电路，提供+6V/-3V的驱动电压。

图13 NSI6602V/NSI6602N驱动E-mode GaN典型应用电路

03 GaN功率芯片方案

NSG65N15K是纳芯微最新推出的GaN功率芯片产品，内部集成了半桥驱动器和两颗耐压650V、导阻电阻150mΩ的E-mode GaN HEMT。NSG65N15K通过将驱动器和GaN合封在一起，消除了共源极电感Lcs，并且将栅极回路电感Lg也降到最小，避免了杂散电感的影响。NSG65N15K是9*9mm的QFN封装，相比传统分立方案的两颗5*6mm DFN封装的GaN开关管加上一颗4*4mm QFN封装的高压半桥驱动，加上外围元件，总布板面积可以减小40%以上。此外，NSG65N15K内置可调死区时间、欠压保护、过温保护功能，有利于实现GaN 应用的安全、可靠工作，并充分发挥其高频、高速的特性优势，适用于各类中小功率GaN应用场合。