在升壓或降壓變換器和雙向變換器中用于同步整流的半橋和全橋配置為高、低壓側晶體管使用互補驅動(dòng)信號。驅動(dòng)信號必須在半橋中的一個(gè)晶體管關(guān)閉和另一個(gè)晶體管打開(kāi)之間包含少量的“死區時(shí)間”，以確保晶體管不會(huì )交叉導電。當半橋結構中的晶體管同時(shí)打開(kāi)時(shí)，會(huì )發(fā)生交叉傳導，這種情況會(huì )增加損耗，并可能損壞晶體管。增加死區時(shí)間有助于保護晶體管，但也會(huì )產(chǎn)生另一種類(lèi)型的損耗，這種損耗會(huì )在兩個(gè)晶體管都關(guān)閉時(shí)發(fā)生，從而降低電橋的效率并降低功率轉換器的可用占空比范圍。因此，在確保不發(fā)生交叉傳導的情況下，盡量減少橋的停滯時(shí)間是一個(gè)關(guān)鍵的設計目標。驗證此操作是一個(gè)挑戰。

 

驗證電源半橋拓撲是否正確交叉導通的常用方法是使用兩個(gè)探針同時(shí)驗證高壓側和低壓側驅動(dòng)信號之間的死區時(shí)間。測量氮化鎵晶體管驅動(dòng)信號，特別是高邊柵，是一項具有挑戰性的工作，經(jīng)常導致誤觸發(fā)，使設計工程師感到沮喪。

 

GaN器件的柵極信號具有很高的轉換速率，約為1V/ns，這給使用傳統的隔離探針進(jìn)行高邊測量帶來(lái)了挑戰。如果測量系統沒(méi)有足夠的共模抑制比（CMRR），則高壓側源節點(diǎn)共模電壓的快速變化會(huì )產(chǎn)生干擾，使測量變得模糊。另外，傳統的無(wú)源電壓探針引入的寄生電容會(huì )使柵極驅動(dòng)信號失真，從而導致交叉傳導。

 

光學(xué)隔離測量系統，如Tektronix TIVH系列IsoVu，已開(kāi)發(fā)出直流共模抑制比大于160分貝，以提供可實(shí)現的高壓側VGS測量解決方案。此類(lèi)測量系統還必須最小化傳感回路面積，并提供增強的屏蔽測量信號路徑。為此，配備了微型電容轉換器（cx）專(zhuān)用電路板，以提供所需功率的微型接口。圖1顯示了使用GS66516T GAN晶體管的高側VGS測量結果和雙脈沖測試板。TIVH系列IsoVu和MMCX連接器用于實(shí)現這一點(diǎn)，如圖2所示。

 

圖1左邊的圖表顯示了使用Tektronix IsoVu測量系統在ILoad=23A下測量的不同Rgon的高壓側VG。右側顯示GS66516T雙脈沖測試（DPT）板。

 

帶MMCX連接器的PCB板（右）。

 

測量系統的成本以及信號路徑的額外復雜性和靈敏度為更具成本效益和更不敏感的解決方案留下了空間。GaN系統工程師開(kāi)發(fā)的一種方法只測量低端晶體管，解決了這些問(wèn)題。

 

GaN半橋的典型硬開(kāi)關(guān)開(kāi)通過(guò)渡示意圖如圖3所示，代表性的低壓側ID曲線(xiàn)如圖4所示。在電壓換向期間（圖3d），S1上的電壓增加，S2上的電壓降低。相應地，晶體管漏極至源電容器C1和C2將分別充電和放電。由于S2的二維電子氣（2DEG）通道導通，而S1的2DEG通道被關(guān)閉，C1的充電電流流過(guò)S2，導致電流突增。

 

圖3這些硬開(kāi)關(guān)轉換圖顯示了S1導電（a）、死區時(shí)間（b）、電流換向（c）、電壓換向（d）和S2導電（e）。

 

由于GaN晶體管不像Si和SiC mosfet，沒(méi)有固有的體二極管，因此在電壓換向期間沒(méi)有反向恢復損耗（圖4中的t1～t2）。低側漏極電流的緩沖區是來(lái)自相反開(kāi)關(guān)S1的電容（COSS=CGD+CDS）充電電流IQ（OSS）的結果。

 

圖4這是低邊GaN晶體管的硬開(kāi)關(guān)開(kāi)啟過(guò)程。

 

如果發(fā)生交叉傳導，電流的碰撞面積將大于COSS的預期值。交叉傳導可以在電壓換向期間、之后、期間和之后同時(shí)發(fā)生（圖5）。

 

圖5在電壓換向期間、之后或兩者同時(shí)發(fā)生交叉傳導。

 

 

推薦閱讀：