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氮化镓（GaN）功率半导体正迅速进入商业市场，与传统的硅基功率半导体相比具有多种优势。GaN可以提高整体系统效率，更高的开关能力可以降低整体系统尺寸和成本。技术优势和低成本增加了GaN功率半导体在工业电源和可再生能源逆变器等应用中的快速普及。

Broadcom Limited（前身为Avago Technologies）门驱动光电耦合器广泛用于驱动IGBT和功率MOSFET等硅基半导体。光耦合器用于在控制电路和高压之间提供增强的电流绝缘。抑制高共模噪声的能力将防止在高频切换期间功率半导体的错误驱动。本文将讨论下一代栅极驱动光电耦合器如何用于保护和驱动GaN器件。

氮化镓是一种宽带隙（3.4 eV）化合物，由镓和氮组成。带隙是在不存在电子的材料的连接处形成的区域。宽带隙GaN具有高击穿电压和低导通电阻特性。与需要更大芯片面积以降低导通电阻的传统Si晶体管不同，GaN器件尺寸更小。这降低了寄生电容，从而可以轻松实现高速切换和小型化。由于功率半导体的导通电阻与电击穿的立方成反比，因此实现了低导通电阻。换言之，预期GaN器件将具有比Si器件的极限低约3位的导通电阻。此外，

图1.硅与GaN晶体管的结构和尺寸

功率半导体是关键器件，在电能转换过程中可以承受巨大的功率。因此，优化该装置的效率以使其操作期间的能量损失最小化是重要的。GaN是下一代功率半导体，能够将功率损耗降至最低，具有以下特性：小型化，高击穿电压和高速开关。 

然而，大多数GaN器件通常在栅极上没有施加电压时导通和漏极导通。为了停止传导，必须使用负电压来反转传导通道。如果不正确地控制栅极，则常开晶体管对系统构成危险，并且通常关闭的硅晶体管更适合于危险的高压应用。

为了加速GaN的采用，松下的X-GaN TM通过在IC栅极下使用P型GaN栅极和扩散AlGaN沟道来开发了常关结构。同时，P型GaN在漏极附近添加空穴，其在高电压下与电子重新结合。该方法解决了电流崩塌问题，其中在高电压期间在沟道附近捕获的电子增加了晶体管导通电阻。如果不控制导通电阻的增加，则GaN器件会随着时间过热而过热。松下GaN晶体管在高达850V的电压下无电流崩溃。

图2. Panasonic X-GaN TM晶体管结构

松下已经完成了世界上最紧凑的400W电源的概念演示。功率转换级PFC和LLC分别在100 kHz和280 kHz下工作。高频率可将电源的成本和尺寸降低30％以上。小型化电源的尺寸为11.2cm×4.95cm×3.95cm，有效功率密度为1.83W / cm 3。它还具有94％的高转换效率和低开关和传导损耗。

图3. Panasonic世界上最紧凑的400W电源，转换效率高达94％

GaN技术现已被广泛认为是硅的可靠替代品。最近对GaN系统和Transphorm等GaN初创公司的投资以及英飞凌与松下的企业合作表明了市场对GaN器件的信心。GaN具有巨大的总无障碍市场（TAM），如PF，EV / HEV，而PV逆变器是最早采用GaN的公司之一。2014年，安川电机公司推出了世界上第一台采用GaN功率半导体的光伏逆变器。光伏逆变器能够在没有冷却风扇的情况下IC运行，是竞争设备体积的60％，总体峰值效率高于98％。

Broadcom栅极驱动光电耦合器已广泛用于驱动像IGBT这样的硅基半导体。本文将讨论下一代栅极驱动光电耦合器的改进如何用于驱动和保护GaN器件。

Broadcom一直与GaN市场领导者松下公司密切合作，以确定适合GaN工作的栅极驱动器。我们已经评估了带有Panasonic GaN晶体管的栅极驱动光电耦合器ACPL-352J，PGA26E19BA使用100-150V的100-150V，5A斩波板。

ACPL-352J是业界最高输出电流5A智能栅极驱动光电耦合器。高峰值输出电流和宽工作电压使其成为直接驱动GaN晶体管的理想选择。该器件具有100ns的快速传播延迟和出色的时序偏移性能，并具有超过50kV /μs的非常高的共模瞬变抗扰度（CMTI）。它可以为GaN提供过流保护和故障安全功能安全报告。这款功能齐全的栅极驱动光电耦合器采用紧凑的表面贴装SO-16封装。它提供经过安全法规IEC / EN / DIN，UL和CSA认证的加强绝缘。

PGA26E19BA是一款600V，10A GaN增强型晶体管。它采用Panasonic专有的栅极注入晶体管（GIT）技术，通过单个GaN器件实现常关操作。这种极高的开关速度GaN能够在高达850V的电压下无电流崩溃，并且具有零恢复损耗特性。

图4.带ACPL-352J和PGA26E19BV的100-150V，5A斩波板

图5.用于GaN晶体管的ACPL-352J驱动电路

图5显示了ACPL-352J栅极驱动输出，V OUTP / MClamp和V OUTN以及外部电阻和用于切换GaN晶体管的电容。完整的斩波板原理图可以在图11中找到。

图6. GaN晶体管栅极电流和电压开关波形

ACPL-352J V OUTP提供初始浪涌充电电流以快速开启GaN ，峰值电流受R9限制。C16用于通过瞬间增加充电电流来更快地导通GaN。所需的I G_CHARGE可以通过GaN的Qgd和导通时间Δt来计算，例如10ns。

I G_CHARGE = Qgd /Δt= 4.5nC / 10ns = 450mA（1）

然后可以通过栅极驱动电源，V CC，GaN栅极平台电压，Vplateau和I G_CHARGE计算R9的值：

R9 =（V CC - Vplateau）/ I G_CHARGE  =（24V-2.9V）/ 450mA =46Ω（2）

R9选择51Ω。

图7. GaN晶体管V GS   与Qg特性的关系

可以使用Qg特性曲线图计算“加速”电容器C16，其显示导通GaN所需的栅极电荷为4.5nC。

C16> Qg /（V CC -V GS- ΔV （neg））= 4.5nC /（24V - 3.6V-5V）= 292pF（3）

选择更高的C16，1nF以确保更快的累积电荷以实现更快的开启。

GIT GaN晶体管需要4.75mA的导通电流，以便将V GS二极管连续偏置至3.6V，以保持晶体管处于导通状态。这是V OUTP提供的，可以计算R15的值：

R15 =（V CC - V GSF）/ I G_ONSTATE  =（24V-3.6V）/ 4.75mA =4.3kΩ（4）

R15选择4.3kΩ。

通过ACPL-352J的V OUTN和R10 完成GaN栅极的关断或放电。ACPL-352J连接到双向电源，栅极通过V OUTN放电到-9V。同时，有源米勒钳（Mclamp）将在栅极放电至-7V时导通。GaN晶体管具有非常低的典型栅极阈值电压1.2V。负栅极电压和有源米勒钳位有助于将晶体管保持在关断状态并分流寄生米勒电流以防止误导通。可以计算峰值放电门电流：

I G_DISCHARGE =（V GSF - V EE2）/ R10 =（3.6V - （ - 9V））/27Ω= 0.467A（5）

假设使用R10为27Ω。

图8.用于GaN晶体管的ACPL-352J过流保护电路

GaN的漏源电压由ACPL-352J的OC引脚通过高压阻断二极管D2监控。斩波器设计为5A，过流阈值设定为7A。当发生过电流时，GaN 的V DS增加到约0.8V。ACPL-352J具有内部过流阈值电压，V OC为9V。然后可以通过齐纳二极管Z2设置过电流检测的阈值。

Z2 = V OC - V D2 - V DS_OVERCURRENT = 9 - 0.7 - 0.8 = 7.5V（6）

在过电流期间，如果GaN突然关闭，则由负载或任何寄生电感引起的高过冲电压可以在GaN的漏极和源极上产生。如果超过击穿电压，则过冲会损坏GaN。为了最大限度地降低这种有害的过冲电压，ACPL-352J的引脚13，SS在检测到过流时进行软关断。GaN栅极电压缓慢降低至低电平关断状态。可以通过外部晶体管Q1和电阻R8调节软关断速率，以降低过冲电压。

通过向控制器提供的隔离反馈路径报告/故障，完成整个过流保护。除过流故障外，ACPL-352J还报告了高压欠压锁定故障（/ UVLO）和GaN栅极状态故障（/ Gfault）。

图9. ACPL-352J功能安全故障报告

斩波板设计用于在100kHz时切换GaN晶体管，直流母线电压为100-150V。GaN标称工作漏极电流为5A，过流阈值设定为7A。图10显示了GaN V GS，V DS和I DS的开关波形。由于斩波器板未连接到任何负载以耗散能量，因此I DS在切换脉冲上增加并最终触发ACPL-352J的V OC过流检测阈值。一旦检测到过电流，右侧的波形将放大软关机过程。

图10.斩波板开关性能，过流检测和软关断

图11.斩波板示意图

ACPL-352J由RECOM Econoline DC / DC转换器REC3.5-0512DRW供电。它是一个3.5W稳压转换器，可提供高达10kVDC的增强隔离。24V双输出由15V齐纳二极管Z1分压，提供+15的双向栅极电压，用于导通，-9V用于关断。

TVS二极管TVS2，D5和R14提供有源钳位，以钳制GaN 的V DS超过300V。15V双向TVS二极管TVS1用于保护GaN晶体管的栅极。肖特基二极管D3用于钳位ACPL-352J的V OC上的负瞬态，以防止任何错误的故障触发。