GaN晶体管与其驱动器的封装集成实现高性能

作者: 德州仪器设计工程师谢涌；设计与系统经理Paul Brohlin
导读：
将GaN FET与它们的驱动器集成在一起可以改进开关性能，并且能够简化基于GaN的功率级设计。
氮化镓 (GaN) 晶体管的开关速度比硅MOSFET快很多，从而有可能实现更低的开关损耗。然而，当压摆率很高时，特定的封装类型会限制GaN FET的开关性能。将GaN FET与驱动器集成在一个封装内可以减少寄生电感，并且优化开关性能。集成驱动器还可以实现保护功能
简介
氮化镓 (GaN) 晶体管的开关性能要优于硅MOSFET，因为在同等导通电阻的情况下，氮化镓 (GaN) 晶体管的终端电容较低，并避免了体二极管所导致的反向恢复损耗。正是由于这些特性，GaN FET可以实现更高的开关频率，从而在保持合理开关损耗的同时，提升功率密度和瞬态性能。
传统上，GaN器件被封装为分立式器件，并由单独的驱动器驱动，这是因为GaN器件和驱动器基于不同的处理技术，并且可能来自不同的厂商。每个封装将会有引入寄生电感的焊线和引线，如图1a所示。当以每纳秒数十到几百伏电压的高压摆率进行切换时，这些寄生电感会导致开关损耗、振铃和可靠性问题。
将GaN晶体管与其驱动器集成在一起（图1b）可以消除共源电感，并且极大降低驱动器输出与GaN栅极之间的电感，以及驱动器接地中的电感。在这篇文章中，我们将研究由封装寄生效应所引发的问题和限制。在一个集成封装内对这些寄生效应进行优化可以减少该问题，并且以高于100V/ns的高压摆率实现出色的开关性能。




仿真设置
为了仿真寄生电感效应，我们使用了一个采用直接驱动配置的空乏型GaN半桥功率级（图2）。我们将半桥设置为一个降压转换器，总线电压480V，死区时间50ns时50%占空比（输出电压 [VOUT] = 240V），以及一个8A的电感器电流。这个GaN栅极在开关电压电平间被直接驱动。一个阻性驱动设定GaN器件的接通压摆率。一个电流源只会仿真一个与连续传导模式降压转换器内开关 (SW) 节点所连接的电感负载。
共源电感
高速开关中最重要的一个寄生要素是共源电感（图1a中的Lcs），它限制了器件汲取电流的压摆率。在传统的TO-220封装中，GaN源由焊线流至引线，而汲取电流与栅极电流都从这里流过。这个共源电感在汲取电流改变时调制栅源电压。共源电感会高于10nH（其中包括焊线和封装引线），从而限制了压摆率 (di/dt)，并增加开关损耗。
借助图1b中所示的集成式封装，驱动器接地直接焊接至GaN裸片的源焊垫。这个Kelvin源连接最大限度地缩短了电源环路与栅极环路共用的共源电感路径，从而使得器件能够以高很多的电流压摆率来开关。可以将一个Kelvin源引脚添加到一个分立式封装内；然而，这个额外的引脚会使其成为一个不标准的电源封装。Kelvin源引脚还必须从印刷电路板 (PCB) 引回至驱动器封装，从而增加了栅极环路电感。


图3显示的是高管开关接通时的硬开关波形。在共源电感为5nH时，由于源降级效应，压摆率减半。一个更低的压摆率会带来更长的转换时间，导致更高的交叉传导损耗，如能耗曲线图中所示。在共源电感为5nH时，能量损耗从53μJ增加至85μJ，增加了60%。假定开关频率为100kHz，功率损耗则会从从5.3W增加至8.5W。
栅极环路电感
栅极环路电感包括栅极电感和驱动器接地电感。栅极电感是驱动器输出与GaN栅极之间的电感。在使用独立封装时，栅极电感包括驱动器输出焊线 (Ldrv_out)、GaN栅极焊线 (Lg_gan) 和PCB迹线 (Lg_pcb)，如图1a中所示。
基于不同的封装尺寸，栅极电感会从紧凑型表面贴装封装（例如，四方扁平无引线封装）的几纳亨到有引线功率封装（例如TO-220）的10nH以上。如果驱动器与GaN FET集成在同一个引线框架内（图1b），GaN栅极直接焊接到驱动器输出上，这样可以将栅极电感减少至1nH以下。封装集成还可以极大地降低驱动器接地电感（从图1a中的Ldrv_gnd + Ls_pcb到图1b中的Lks）。
降低栅极环路电感对于开关性能有着巨大影响，特别是在关闭期间，GaN栅极被一个电阻器下拉。这个电阻器的电阻值需要足够低，这样的话，器件才不会在开关期间由于漏极被拉高而又重新接通。这个电阻器与GaN器件的栅源电容和栅极环路电感组成了一个电感器-电阻器-电容器 (L-R-C) 槽路。方程式1中的Q品质因数表示为：

在栅极环路电感值更大时，Q品质因数增加，振铃变得更高。这个效应用一个1Ω下拉电阻关闭低管GaN FET进行仿真，图4中这个效应的出现时间为9.97μs，其中栅极环路电感变化范围介于2nH到10nH之间。在10nH的情况下，低管VGS在负栅极偏置以下产生12V振铃。这就极大地增加了GaN晶体管栅极的应力。需要注意的一点是，任何FET的栅极上的过应力都会对可靠性产生负面影响。
栅极环路电感还会对关断保持能力产生巨大影响。当低管器件的栅极保持在关闭电压时，并且高管器件接通，低管漏极电容将一个大电流传送到栅极的保持环路中。这电流通过栅极环路电感将栅极推上去。图4在大约10.02µs时的曲线变化便是说明了这一点。随着电感增加，低管VGS被推得更高，从而增加了直通电流，这一点在高管漏电流曲线图中可见 (ID_HS)。这个直通电流使得交叉传导能量损耗 (E_HS) 从53µJ增加至67µJ。


根据方程式 (1)，减轻栅极应力的一个方法就是增加下拉电阻值，反过来减少L-R-C槽路的Q品质因数。图5显示的是用一个10nH栅极环路电感和在1Ω到3Ω之间变化的下拉电阻 (Rpd) 进行的仿真结果。虽然栅极下冲被一个3Ω下拉电阻限制在负偏置电压以下的数伏特内，但是关断保持能力恶化，从而导致更大的直通电流。这一点在漏电流曲线图中很明显。
E_HS能量曲线图显示出，在每个开关周期内有额外的13µJ损耗，与2nH的栅极环路电感和1Ω下拉电阻时53µJ相比，差不多增加了60%（图4）。
假定开关频率为100kHz，高管器件上的功率损耗从5.3W增加至8W，其原因是由高栅极环路电感和高下拉电阻值所导致的直通。这个额外的功率损耗会使得功率器件内的散热变得十分难以管理，并且会增加封装和冷却成本。


为了减轻直通电压，可以将栅极偏置为更大的负电压，不过这样做会增加栅极上的应力，并且会在器件处于第三象限时增大死区时间损耗。因此，在栅极环路电感比较高时，栅极应力与器件关断保持能力之间的均衡和取舍很难管理。你必须增加栅极应力，或者允许半桥直通，这会增加交叉传导损耗和电流环路振铃，并且会导致安全工作区 (SOA) 问题。一个集成式GaN/驱动器封装提供低栅极环路电感，并且最大限度地降低栅极应力和直通风险。
GaN器件保护
将驱动器与GaN晶体管安装在同一个引线框架内可以确保它们的温度比较接近，这是因为引线框架的导热性能极佳。热感测和过热保护可以置于驱动器内部，使得当感测到的温度超过保护限值时，GaN FET将关闭。
一个串联MOSFET或一个并联GaN感测FET可以被用来执行过流保护。它们都需要GaN器件与其驱动器之间具有低电感连接。由于GaN通常以较大的di/dt进行极快的开关，互联线路中的额外电感会导致振铃，并且需要较长的消隐时间来防止电流保护失效。集成驱动器确保了感测电路与GaN FET之间尽可能少的电感连接，这样的话，电流保护电路可以尽可能快的做出反应，以保护器件不受过流应力的影响。


开关波形
图6是一个半桥的开关波形；
这个半桥包含2个集成式驱动器的GaN器件，采用8mm x 8mm四方扁平无引线 (QFN) 封装。通道2显示SW节点，此时高管器件在总线电压为480V的情况下，以120V/ns的压摆率被硬开关。这个经优化的驱动器集成式封装和PCB将过冲限制在50V以下。需要说明的一点是，捕捉波形时使用的是1GHz示波器和探头。

结论
GaN晶体管与其驱动器的封装集成消除了共源电感，从而实现了高电流压摆率。它还减少了栅极环路电感，以尽可能地降低关闭过程中的栅极应力，并且提升器件的关断保持能力。集成也使得设计人员能够为GaN FET搭建高效的过热和电流保护电路。