集成氮化鎵改變了傳統(tǒng)的智慧嗎

在氮化鎵（GaN）功率FET的早期階段，故障很常見。更嚴(yán)格的柵極環(huán)路設(shè)計(jì)要求，更高的dv/dt和共源電感的影響使得電路對(duì)寄生和噪聲更敏感。當(dāng)TI推出第一個(gè)600V GaN功率級(jí)樣品時(shí)，我驚嘆于該產(chǎn)品的可靠性和其自我保護(hù)功能的有效性。即使功率級(jí)已經(jīng)通過嚴(yán)格的測(cè)試驗(yàn)證，我以前的硅器件經(jīng)驗(yàn)讓我對(duì)其在實(shí)際使用中的可靠性也感到好奇。更重要的是，這些功能會(huì)改變電路原型和調(diào)試的傳統(tǒng)智慧嗎？

在最近的交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，我使用了兩個(gè)具有一些基本直流總線設(shè)計(jì)的TI半橋LMG3410-HB-EVM評(píng)估模塊（EVM），由UCD3138數(shù)字脈寬調(diào)制（PWM）控制器控制。當(dāng)兩個(gè)交錯(cuò)的半橋結(jié)合在一起時(shí)，我看到PWM信號(hào)反復(fù)受到高dv/dt（100V /ns）的影響，在480V引起擊穿FET，觸發(fā)集成過流保護(hù)（圖1）。

與大多數(shù)FET——在這種情況下會(huì)失效——不同，LMG3410集成功率級(jí)使我能夠在不發(fā)生損壞的情況下重復(fù)故障條件，快速調(diào)試到根本原因。這可能會(huì)非常辛苦的，而且傳統(tǒng)器件可能會(huì)不安全。

圖1：擊穿事件之后功率級(jí)自動(dòng)關(guān)閉（藍(lán)色：上部FET PWM；黃色：下部FET PWM；綠色：電感器電流）

通過RDRV改變轉(zhuǎn)換速率，我發(fā)現(xiàn)單相操作的50V/ns或100V/ns工作穩(wěn)定，而使用兩相操作的100V/ns則不然。根本原因是共模（CM）噪聲污染和控制器外圍電路的非優(yōu)化布局，導(dǎo)致不同PWM通道之間的時(shí)鐘同步不匹配（圖2）。

圖2：PWM不同步導(dǎo)致電感電流浪涌（藍(lán)色：上部FET PWM；黃色：下部FET PWM；綠色：電感電流；紅色：故障信號(hào)觸發(fā)）

TI的ISO7831數(shù)字信號(hào)隔離器提供了足夠高的CM瞬態(tài)抗擾度（CMTI）速率（>100V/ns），但隔離電源（通常具有高得多的CM電容）很容易以高dv/dt將噪聲從開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓耦合到控制側(cè)（圖3）。隨著多個(gè)相位同時(shí)操作，更多的CM噪聲會(huì)被注入到控制側(cè)。

電源設(shè)計(jì)人員有時(shí)忽視了這個(gè)問題，因?yàn)楣杵骷鸵恍в型獠?a target="_blank">驅(qū)動(dòng)器的GaN FET不會(huì)實(shí)現(xiàn)這么高的轉(zhuǎn)換速率。我成功地解決了這個(gè)問題，通過在上部FET的隔離電源上增加額外的CM扼流圈，改善了數(shù)字控制器的去耦環(huán)路，降低了控制器的接地彈跳和噪聲耦合。由于LMG3410的集成保護(hù)功能，在整個(gè)調(diào)試過程中，盡管多次出現(xiàn)CM噪聲引起的故障，我沒有遇到任何災(zāi)難性故障。

圖3：隔離電源和數(shù)字隔離器之間的CM電容

除了過流故障，過熱事件是電源轉(zhuǎn)換器中常見的情況。雖然有經(jīng)驗(yàn)的工程師具有良好的散熱設(shè)計(jì)技能，但保持器件結(jié)點(diǎn)的冷卻仍然具有挑戰(zhàn)性，而且沒有太大的錯(cuò)誤余地。隨著時(shí)間的推移，風(fēng)扇故障或散熱器損壞等事件可能導(dǎo)致災(zāi)難性故障?！疫\(yùn)的是，LMG3410集成了過熱保護(hù)，當(dāng)我的風(fēng)扇電源意外關(guān)閉時(shí)，LMG341就會(huì)起到保護(hù)作用。熱脫扣點(diǎn)設(shè)置為165°C，為短暫的溫度漂移留出足夠的空間，但防止器件因與冷卻相關(guān)的系統(tǒng)故障而遭受永久性損壞。

盡管GaN在系統(tǒng)效率、尺寸和冷卻方面具有優(yōu)勢(shì)，但其高開關(guān)速度和頻率也呈現(xiàn)出越來越大的挑戰(zhàn)。TI GaN產(chǎn)品的保護(hù)和其他集成功能正在改變使用分立Si MOSFET了解高速開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)復(fù)雜性的傳統(tǒng)智慧。這些產(chǎn)品不僅在我們調(diào)試新設(shè)計(jì)時(shí)保護(hù)器件免受永久性損壞，還通過防止長(zhǎng)期工作時(shí)的柵極過應(yīng)力來提高可靠性，因?yàn)榧沈?qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)減少了柵極振蕩。

依據(jù)摩爾定律，全世界電子產(chǎn)品的尺寸已大幅降低，系統(tǒng)密度得到改善。由于GaN技術(shù)的發(fā)展和推出易于使用的GaN功率級(jí)（如具有自我保護(hù)功能的LMG3410），這一趨勢(shì)現(xiàn)在將發(fā)展到電源電子產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷