【经验】高压InnoGaN驱动设计教程

高压InnoGaN在栅极集成ESD保护电路，提高栅极的可靠性。英诺赛科现有的大部分产品栅极持续电压范围在-1.4V~+7V,为了满足大功率电源应用时对驱动有高负压关断需求，部分产品栅极耐负压能力提升至-6V。栅极瞬态耐压范围是-20~+10V,高压InnoGaN驱动电压特性如下图表所示。

图 1 栅极集成ESD保护电路

表 1 驱动电压特性

驱动电压与Rdson的关系：

如下图所示，高压InnoGaN的驱动电压越高，器件的通流能力越强，Rdson越小，兼容器件的性能和可靠性推荐在应用时驱动电压取6V~6.5V。

图 2 增强型GaN FET的Rdson与Vgs的关系

 InnoGaN与SiMOSFET对比

●InnoGaN与Si MOSFET相同点：

①InnoGaN与增强型Si MOSFET一样都是常关型功率器件；

②电压型驱动，驱动电压给器件寄生电容Ciss/Crss充放电，和正偏时提供一个Gate的漏电流Igss;

③通过外置驱动电阻Rg_ext调节开关速度。

●InnoGaN与Si MOSFET不同点：

①栅极耐压能力和Vth阀值更低，需要更小心的处理驱动回路，避免振荡导致误动作；

②高压InnoGaN的推荐驱动电压范围是6V~6.5V，比Si MOSFET的8~12V驱动电压更低，若要兼容Si MOSFET的control IC,需要对control IC驱动电压进行降压处理或增加驱动芯片以满足高压InnoGaN驱动电压要求。

InnoGaN单管驱动电路分类

InnoGaN单管非隔离式驱动

表 2

单管驱动分析

分压式驱动

分压式驱动电路图

图 3  -1.4V~+7V器件分压驱动电路

图 4 -6V~+7V器件分压驱动电路

分压式驱动电路各元件功能介绍

表 3

分压式驱动开关过程介绍

图 5 分压式驱动开通回路

开通过程，驱动的电流回路如图所示有Ron、Ra、Cc、Rb、GaN FET、Rsense、CBYPASS组成，VDrv主要是通过Ron、Cc快速给高压InnoGaN的CisS/CrSS充电，Vgs电压快速上升打开功率管。

图 6 分压式驱动开通回路

关断过程，驱动电流回路如图所示由Ron、Ro仟、D1、Ra、CC、Rb、DZ、GaN FET、Rsense,VDrv主要是通过D1、Roff、Cc快速给HV InnoGaN的Ciss/Crss放电，Vgs电压快速拉低关断功率管；Cc电容值设计的比Ciss大，VgS=0V后Cc继续放电，电流流过Dz和Rb会产生一个负压，关断最大负压值会被稳压二极管Dz钳位。

分压式驱动设计注意事项

●Sense电阻对驱动电压的影响

GaN开通时，主功率回路在sense电阻产生一定的压降，该压降会影响驱动电压，在参数设计时需要考虑。

●Igss对驱动电压的影响

GaN导通时，驱动需要control IC提供稳压管、Rb、GaN Igss流过的电流，GaN的lgss会随温度增加而增加，设计时要按高温下Igss_max值设计。

●Cc电容对驱动的影响

分压式驱动电路的分压电阻阻值很大，导致开关过程驱动电流很小，无法实现GaN FET的快速开关。利用电容交流阻抗小的特性，采用Cc电容与Ra并联，在开关过程中绝大部分电流流过Cc电容给GaN FET的Ciss/Crss充放电以达到快速开关的目的。开关过程中Cc与Ciss/Crss是串联，Cc的电荷必须比Ciss/Crss大才能保证Ciss/Crss快速充放电，让高压InnoGaN有效的开通和关断，即，需满足如下关系式：

Cc>Qgplat/Vplat

CC电容的不同容值会对驱动波形有影响。Cc电容太小会导致开关过程变缓，有无法及时开启和关断的风险。在Cc电容满足要求的前提下，容值越大，关断时负压维持时间越长。如图7所示的仿真波形，Cc=100pF时开通缓慢，且在关断时驱动出现拖尾现象，存在关断不及时风险；Cc=560pF时驱动波形快速变化，且关断有一定负压；Cc=3.3nF时，整个关断时间内驱动都有负压，负压最大值会被Zener管Dz的正向导通电压钳位，保证负压在-1.4V内。

图 7  Cc电容对驱动的影响（单Zener电路）

ZD1、ZD2取5.6V稳压管，Cc电容对驱动电压的影响如图8所示。

图 8 Cc电容对驱动的影响（双Zener电路）

●稳压二极管选型

稳压管有稳压精度、正向导通压降及温漂，ZD稳压管推荐使用6.2V，ZD1、ZD2稳压管推荐5.1V,保证稳压管的最大稳压电压：Vzener_Max=VZmax+△V*△T在6.5V以内。

表 4

分压式驱动设计示例

示例1：

驱动参数计算

(以控制器NCP1342和HV InnoGaN INN650DA240A为例)

1.确认已知参数

●控制器最小驱动电压：从控制器规格书可以查到其最小驱动电压VDrv_min=10V

表 5 NCP1342驱动电压

2.分压电阻的计算

公式 1

Ron用来调节开通速度，优化EMI，Ron确定后，Rb相应也确定。

3.Cc电容容值计算

公式 2

表 6

图9 layout参考设计

Layout设计建议：

①控制IC的Drive脚靠近GaN放置，驱动回路尽可能短

②驱动电路的阻容器件靠近GaN放置

③多层板驱动回路可上下层平行走线，减小寄生电感

④驱动回路与功率回路不重叠，避免驱动受功率回路干扰

⑤GaN source散热PAD尽可能铺大面积铜箔，辅助散热

图10分压式驱动波形

示例2：负压驱动电路设计

通过加大Cc电容，使得Cc电容在驱动关断时间内一直放电，Cc放电电流流过Rb(10K电阻)产生大压降，给栅极一个大的关断负压，ZD2起到钳位负压的作用。

图 11 大负压驱动参数示例

图 12 分压式驱动波形（大负压）

直驱式驱动

直驱式驱动电路

图13直驱驱动电路

直驱式电路各元件功能介绍

表 7 直驱式电路元件功能

直驱式驱动开关过程

图 14 直驱开通回路

图 15 直驱关断回路

直驱式驱动注意事项

①不同直驱IC的驱动电压存在差异，建议选用驱动电压6V的驱动IC;

②导通时Sense电阻产生的压降会导致GaN的驱动电压下降，推荐选用有驱动电压补偿或者负电流检测的control IC;

③注意IgSs对驱动电压的影响，驱动电阻Ron推荐在330R以内。

直驱式驱动电路设计示例

图 16 直驱驱动示例

图 17 Layout设计

Layout设计建议:

①控制IC的Drive脚靠近GaN放置，驱动回路尽可能短

②多层板驱动回路可上下层平行走线，减小寄生电感

③驱动回路与功率回路不重叠，避免驱动受功率回路干扰

④GaN source散热PAD尽可能铺大面积铜箔，辅助散热

图 18 实际工作波形