你的位置:首頁 > 互連技術(shù) > 正文

如何使用GaNFET設(shè)計四開關(guān)降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器?

發(fā)布時間:2024-11-04 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在不斷追求減小電路板尺寸和提高效率的征途中,氮化鎵場效應(yīng)晶體管(GaNFET)功率器件已成為破解目前難題的理想選擇。GaN是一項新興技術(shù),有望進一步提高功率、開關(guān)速度以及降低開關(guān)損耗。這些優(yōu)勢讓功率密度更高的解決方案成為可能。


在不斷追求減小電路板尺寸和提高效率的征途中,氮化鎵場效應(yīng)晶體管(GaNFET)功率器件已成為破解目前難題的理想選擇。GaN是一項新興技術(shù),有望進一步提高功率、開關(guān)速度以及降低開關(guān)損耗。這些優(yōu)勢讓功率密度更高的解決方案成為可能。

當(dāng)前市場上充斥著大量不同的Si MOSFET驅(qū)動器,而新的GaN驅(qū)動器和內(nèi)置GaN驅(qū)動器的控制器還需要幾年才能面世。除了簡單的專用GaNFET驅(qū)動器(如 LT8418)外,市場上還存在針對GaN的復(fù)雜降壓和升壓控制器(如LTC7890, LTC7891)。目前的四開關(guān)降壓-升壓解決方案仍有些復(fù)雜,但驅(qū)動GaNFET并不像看起來那么困難。利用一些簡單的背景知識,可以通過調(diào)整針對Si MOSFET的控制器來驅(qū)動GaNFET。LT8390A是一個很好的選擇。這是一款專業(yè)的2 MHz降壓-升壓控制器,死區(qū)時間(25 ns)非常短,參見圖1。該降壓-升壓方案的檢測電阻與電感串聯(lián),且位于兩個熱環(huán)路的外部,這是降壓-升壓方案的一個新特性,讓控制器能夠在升壓和降壓工作區(qū)域(以及四開關(guān)降壓-升壓)中以峰值電流控制模式運行。本文深入探討了四開關(guān)降壓-升壓GaNFET控制,但其原理同樣適用于簡單的降壓或升壓控制器。


如何使用GaNFET設(shè)計四開關(guān)降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器?

圖1. EVAL-LT8390A-AZ 24 VOUT 5 A 4 四開關(guān)降壓-升壓GaN控制器原理圖


5 V柵極驅(qū)動器必不可少

對于高功率轉(zhuǎn)換,硅驅(qū)動器通常工作在5 V以上,典型的硅MOSFET柵極驅(qū)動器電壓范圍為7 V至10 V甚至更高。這對GaNFET提出了挑戰(zhàn),因為其絕對最大柵極電壓額定值通常為6 V。甚至柵極和源極回路上的雜散PCB電感引起的振鈴如果超過最大柵極電壓,也可能導(dǎo)致災(zāi)難性的故障。相關(guān)設(shè)計人員必須仔細考慮布局,盡可能降低柵極和源極回路上的電感,才能安全有效地驅(qū)動GaNFET。除了布局之外,實施器件級保護對于防止柵極發(fā)生災(zāi)難性過壓也很重要。

LT8390A提供專為較低柵極驅(qū)動FET設(shè)計的5 V柵極驅(qū)動器,因而是驅(qū)動GaNFET的理想選擇。問題是硅FET驅(qū)動器通常缺乏針對意外過壓的保護。更具體地說,硅柵極驅(qū)動器上頂部FET的自舉電源不受調(diào)節(jié),這意味著頂部柵極驅(qū)動器很容易漂移到GaNFET的絕對最大電壓以上。圖2提供了解決此問題的方案:將一個5.1 V齊納二極管(D5和D6)與自舉電容并聯(lián),以將該電壓箝位在GaNFET的推薦驅(qū)動電平,進而確保柵極電壓始終在安全工作范圍內(nèi)。


如何使用GaNFET設(shè)計四開關(guān)降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器?圖2. 帶有GaN控制保護元件的簡化四開關(guān)降壓-升壓GaN控制器原理圖


此外,為了提供更好的保護,添加一個10 Ω電阻與自舉二極管(D3和D4)串聯(lián),以減小超快速和高功率開關(guān)節(jié)點可能引起的任何振鈴。

死區(qū)時間和體二極管挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器中有一個續(xù)流二極管,它在關(guān)斷期間導(dǎo)通。同步轉(zhuǎn)換器用另一個開關(guān)代替續(xù)流二極管,以減少二極管的正向?qū)〒p耗。然而,如果頂部和底部開關(guān)同時導(dǎo)通,就會發(fā)生故障,導(dǎo)致?lián)舸?。如果發(fā)生擊穿,則兩個FET都可能短路接地,進而造成器件故障和其他災(zāi)難性后果。為了防止這種情況,控制器設(shè)置了死區(qū)時間,即頂部和底部開關(guān)均不導(dǎo)通的時間段。典型同步DC-DC控制器實現(xiàn)的死區(qū)時間長達60 ns。體二極管在此期間導(dǎo)通,因此對于硅MOSFET來說,該死區(qū)時間不會造成麻煩。

GaNFET沒有體二極管,導(dǎo)通和關(guān)斷的速度比硅MOSFET快得多。GaNFET可以在2 V至4 V的電壓下導(dǎo)通,而二極管的典型導(dǎo)通電壓為0.7 V。導(dǎo)通電壓乘以導(dǎo)通電流,可能導(dǎo)致死區(qū)時間內(nèi)的功率損耗增加近6倍。功率損耗的增加,加上較長的死區(qū)時間,可能造成FET過熱和損壞。比較好的解決方案是盡量縮短死區(qū)時間。然而,原本用于硅FET的控制器是根據(jù)硅FET緩慢的通斷特性(數(shù)十納秒)來設(shè)計死區(qū)時間,為防止擊穿,死區(qū)時間通常較長。

LT8390A設(shè)定的死區(qū)時間為25 ns,與市場上的許多同步控制器相比,該死區(qū)時間相對較短。該器件適用于高頻、高功率MOSFET控制,但對于GaNFET來說仍然太長。GaNFET的導(dǎo)通速度很快,僅幾納秒。因此,為了減少死區(qū)時間內(nèi)的額外導(dǎo)通損耗,建議添加一個續(xù)流肖特基二極管與同步GaNFET反向并聯(lián),將導(dǎo)通路徑轉(zhuǎn)移到損耗較小的路徑。圖2中的D1和D2說明了肖特基二極管應(yīng)放置在哪個FET上。D1跨接于同步降壓側(cè)FET,而D2跨接于同步升壓側(cè)FET。簡單的降壓轉(zhuǎn)換器只需要放置D1。對于簡單的升壓轉(zhuǎn)換器,需使用D2。

更高頻率、更高功率

LT8390A的開關(guān)頻率高達2 MHz。GaNFET的開關(guān)損耗顯著低于Si MOSFET,開關(guān)頻率和電壓更高時,其功率損耗與后者相近。EVAL-LT8390A-AZGaNFET板將開關(guān)頻率設(shè)置為2 MHz,以突出 GaNFET在效率和尺寸方面的優(yōu)勢。

在室溫、24 V輸出下,GaNFET可產(chǎn)生120 W功率。該板尺寸與之前的LT8390A評估板 DC2598A相當(dāng),后者使用硅MOSFET,并提供12 VOUT和48 W功率。圖3展示了2 MHz GaN降壓-升壓電路的最大功率能力,而圖4比較了兩種評估板的效率。即使在電壓更高、輸出功率高2.5倍的情況下,GaNFET板的效率也高于Si MOSFET板。在電路板面積相似時,使用GaNFET可以以更高的電壓和功率運行。


 圖3. EVAL-LT8390A-AZ最大輸出電流與輸入電壓的關(guān)系,該板可在高頻下通 過寬輸入范圍產(chǎn)生120 W功率

圖3. EVAL-LT8390A-AZ最大輸出電流與輸入電壓的關(guān)系,該板可在高頻下通 過寬輸入范圍產(chǎn)生120 W功率


如何使用GaNFET設(shè)計四開關(guān)降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器?
圖4. EVAL-LT8390A-AZ GaN控制器效率與DC2598A Si MOSFET控制器效率,GaNFET在更高電壓下提供更高的效率


結(jié)論

如果沒有專門用于驅(qū)動GaNFET的DC-DC控制器,我們?nèi)匀豢梢杂行У仳?qū)動GaNFET。在電路板面積近似時,即便使用原本用于驅(qū)動Si MOSFET的控制器,EVAL-LT8390A-AZ也能輕松輸出更大的功率并實現(xiàn)更高的效率。表1推薦了多款用于驅(qū)動GaNFET的控制器。如果功率要求更高,例如并聯(lián)降壓-升壓GaNFET控制,請聯(lián)系廠家。通過研究提供5 V柵極驅(qū)動器的控制器并整合額外的外部保護電路元件,我們可以安全地驅(qū)動GaNFET,并探索電源轉(zhuǎn)換設(shè)計中的更多選擇。


免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題,請聯(lián)系小編進行處理。


推薦閱讀:

優(yōu)化SPI驅(qū)動程序的幾種不同方法

匯聚智造大咖,共探智能工業(yè)未來 AMTS & AHTE SOUTH CHINA 2024亮點全揭秘!

時刻關(guān)注“得捷時刻”直播活動,DigiKey 將在electronica 2024展示新產(chǎn)品,并贈送精美禮品 

意法半導(dǎo)體公布2024年第三季度財報

車用開關(guān)電源的開關(guān)頻率定多高才不影響EMC?


特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書下載更多>>
熱門搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉