半橋GaN應用中的交叉?zhèn)鲗Ы鉀Q方案

為了以整流方式獲得和諧同步的雙向電流控制，在半橋和全橋GaN 應用中必須具有互補驅(qū)動信號。為避免交叉?zhèn)鲗?，有目的地將死區(qū)時間放置在驅(qū)動信號的高側(cè)和低側(cè)。對于快速開關(guān)，與死區(qū)時間相關(guān)的損耗實際上是不可忽視的。與交叉?zhèn)鲗Ц拍钕嚓P(guān)的損失是通過確保額外的死區(qū)時間損失最小化來保持死區(qū)時間控制的準確性來控制的。1通過考慮上述所有討論，已經(jīng)清楚地表明，在整個系統(tǒng)上電之前，診斷和消除電路和 GaN 半橋中存在的交叉?zhèn)鲗Ш蜐撛诮徊鎮(zhèn)鲗Х浅Ｖ匾?。有關(guān)本文的更多信息，請訪問此鏈接。

用于診斷交叉?zhèn)鲗У墓飧綦x探頭

為了進行交叉?zhèn)鲗Щ驖撛诮徊鎮(zhèn)鲗У脑\斷過程，最簡單和最真實的方法是借助存在于極端側(cè)(高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動)的兩個探頭檢查死區(qū)時間信號)同時。各種挑戰(zhàn)與測量 GaN 驅(qū)動信號(特別是高端信號)的方法相關(guān)，并可能導致設(shè)計失敗。

共模抑制比

共模抑制比 (CMRR) 在診斷中起著重要作用。在進行測量時，CMRR 由 dVGS/dt 速率高于 1 V/ns 的 GaN 和邊緣速率決定。在系統(tǒng)中 CMRR 不足的情況下，測量會受到干擾，并且推斷是由高側(cè)源節(jié)點上存在的快速變化的電壓引起的。失真最有可能是由 (10 pF), 1,2在驅(qū)動器信號中引起的，這也稱為傳統(tǒng)的無源電壓證明，最終導致交叉?zhèn)鲗А?/p>

傳感回路面積的最小化

除了進行 CMRR，另一個關(guān)鍵路徑是通過 MMCX 連接器增強探頭的連通性，以提供完全屏蔽的信號路徑，從而實現(xiàn)傳感回路面積的最小化。在圖 1 和圖 2 中，分別記錄了在不同負載電流和 Rg.on 下測量存在于高側(cè) VGS 的波形。2

圖 1：高側(cè) Vgs 和低側(cè) Vds

圖 2：不同 Rg_on 的高側(cè) Vgs

GaN 用戶的沮喪因素

由于與測量系統(tǒng)相關(guān)的高成本以及信號路徑的敏感性，很少有 GaN 用戶會非常氣餒。大量 GaN 用戶正在努力尋找一些成本較低的方法來診斷 GaN 交叉?zhèn)鲗А?/p>

無需高側(cè) VGS 感測的 GaN 交叉?zhèn)鲗г\斷的建議解決方案 由于與用于診斷交叉?zhèn)鲗?/p>

的高側(cè)驅(qū)動信號的測量相關(guān)的風險，因此測量低側(cè)漏極電流是安全的. 圖 3 清楚地顯示了典型的 GaN HEMT 半橋硬開關(guān)導通轉(zhuǎn)換圖。雖然根據(jù)圖 3d 進行更精確的討論，但可以正確地說和看到，S1 兩端的電壓增加而 S2 兩端的電壓減少，電容器 C1 和 C2 分別充電和放電。4

圖 3：切換階段

二維電子氣

根據(jù)上面給出的描述可以看出，S2的二維電子氣(2DEG)處于導通階段，而S1的二維電子氣已經(jīng)關(guān)閉。C1的充電電流流過S2，產(chǎn)生了電流沖擊。

電壓通信期間無反向恢復損耗

由于 GaN HEMT 中不存在固有體二極管，因此電壓通信 (t1~t2) 期間沒有反向恢復損耗。

低側(cè)漏極

的凸塊區(qū)域 低側(cè)漏極凸塊區(qū)域的唯一存在是由于電容 (Coss) 充電電流 Iqoss 產(chǎn)生的，該電流由相反的開關(guān)器件即 S1 產(chǎn)生，如 (1) 中清楚描述的。

Ip(t) = Iqoss (t) + I負載 (1)

其中，t1 小于 t，t 小于 t2

實驗驗證

以25mΩ RDS_on 650V GaN HEMT GS66516T為例，對該診斷進行了實驗驗證。這兩種情況，即無交叉?zhèn)鲗Ш陀薪徊鎮(zhèn)鲗?，都已在這方面使用，這已在圖 4 中的 GS66516T C oss曲線中清楚地顯示出來。

圖 4：Coss 曲線

無交叉?zhèn)鲗?無交叉?zhèn)鲗У?/p>

第一步是計算高邊 Coss 電荷 VDS=0~Vdc。第二步如圖5所示，它告訴我們通過記錄低側(cè)漏極電流來實現(xiàn)雙脈沖測試的過程。3無交叉?zhèn)鲗У牡谌揭彩亲詈笠徊绞顷P(guān)于計算圖 6 中清楚描繪的電流凸點面積，GS66516T 在 Iload = 23A 下的 ID 凸點比較，以及不同的 Rg 和圖。7、GS66516T 在 Iload = 23A 時的 ID 凸塊比較，具有不同的柵源電容。4

圖 5：雙脈沖測試

圖 6：不同 Rgon 的 ID 凸點比較

圖 7：不同柵源電容下的 ID 凸點比較

有交叉?zhèn)鲗?/p>

在這種診斷方法中，通過有意降低 Rg_on 和使用更高的截止驅(qū)動電壓來捕獲兩個普通的雙脈沖測試波形，但存在交叉?zhèn)鲗栴}。

實驗驗證結(jié)果

在交叉?zhèn)鲗У那闆r下，問題是隨便診斷的，因為交叉?zhèn)鲗У呐鲎搽姾纱笥诶碚撚嬎愕闹?，而在沒有交叉?zhèn)鲗У那闆r下相差11 nC 介于測量的電流凸點 (133 nC) 和理論 Coss 電荷 (122 nC) 之間，該電荷完全由寄生電容 Cpcb 和 Cpl 貢獻。該值完全獨立于交叉?zhèn)鲗栴}，因為它具有固定值。

結(jié)論

由于使用傳統(tǒng)探頭測量高側(cè) VGS 存在各種相關(guān)挑戰(zhàn)，因此該解決方案已被用于診斷 GaN 半橋交叉?zhèn)鲗А＠?，在此診斷的實驗驗證中給出了25-mΩ R DS(on) 650-V GaN HEMT GS66516T，包括有和無交叉?zhèn)鲗У姆椒āＫ袛?shù)據(jù)均來自真實來源。

審核編輯：湯梓紅