想要玩转氮化镓?纳芯微全场景GaN驱动IC解决方案来啦!

发布时间:2023-12-20 11:47
作者:AMEYA360
来源:纳芯微
阅读量:3793

  作为当下热门的第三代半导体技术,GaN在数据中心、光伏、储能、电动汽车等市场都有着广阔的应用场景。和传统的Si器件相比,GaN具有更高的开关频率与更小的开关损耗,但对驱动IC与驱动电路设计也提出了更高的要求。

  按照栅极特性差异,GaN分为常开的耗尽型(D-mode)和常关的增强型(E-mode)两种类型;按照应用场景差异,GaN需要隔离或非隔离、低边或自举、零伏或负压关断等多种驱动方式。针对不同类型的GaN和各种应用场景,纳芯微推出了一系列驱动IC解决方案,助力于充分发挥GaN器件的性能优势。

  01、耗尽型(D-mode)GaN 驱动方案

  一、D-mode GaN类型与特点

  由于常开的耗尽型GaN本身无法直接使用,需要通过增加外围元器件的方式,将D-mode GaN从常开型变为常关型,主要包括级联(Cascode)和直驱(Direct Drive)两种技术架构;其中,级联型的D-mode GaN更为主流。如下图1,级联型的D-mode GaN是通过利用低压Si MOSFET的开关带动整体的开关,从而将常开型变为常关型。

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  尽管低压Si MOS在导通时额外串入沟道电阻,并且参与了器件的整体开关过程,但由于低压Si MOS的导通电阻和开关性能本身就很理想,所以对GaN器件的整体影响非常有限。

  级联型的D-mode GaN最大的优势在于可用传统Si MOS的驱动电路,以0V/12V电平进行关/开的控制。但需要注意的是,尽管驱动电路和Si MOS相同,但由于级联架构的D-mode GaN的开关频率和速度远高于传统的Si MOS,所以要求驱动IC能够在很高的dv/dt环境下正常工作。

  如下图2和图3所示为氮化镓采用半桥拓扑典型应用电路,GaN的高频、高速开关会导致半桥中点的电位产生很高的dv/dt跳变,对于非隔离驱动IC,驱动芯片的内部Level shifter寄生电容会在高dv/dt下产生共模电流;对于隔离驱动IC,驱动芯片的输入输出耦合电容同样构成共模电流路径。这些共模电流耦合到信号输入侧会对输入信号造成干扰,可能会触发驱动芯片的误动作,严重时甚至会引发GaN发生桥臂直通。

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  因此,共模瞬变抗扰度(CMTI)是选择GaN驱动IC的一个重要指标。对于GaN器件,特别是高压、大功率应用,推荐使用100V/ns以上CMTI的驱动IC,以满足更高开关频率、更快开关速度的需求。

  二、纳芯微D-mode GaN驱动方案

  纳芯微提供多款应用于D-mode GaN的驱动解决方案,以满足不同功率段、隔离或非隔离等不同应用场景的需求。

  1)NSD1624:高可靠性高压半桥栅极驱动器

  传统的非隔离高压半桥驱动IC一般采用level-shifter架构,由于内部寄生电容的限制,通常只能耐受50V/ns的共模瞬变。NSD1624创新地将隔离技术应用于高压半桥驱动IC的高边驱动,将dv/dt耐受能力提高到150V/ns,并且高压输出侧可以承受高达±1200V的直流电压。此外,NSD1624具有+4/-6A驱动电流能力,能工作在10~20V 电压范围,高边和低边输出均有独立的供电欠压保护功能(UVLO)。NSD1624 可提供SOP14,SOP8,与小体积的LGA 4*4mm封装,非常适合高密度电源的应用,可适用于各种高压半桥、全桥电源拓扑。

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  2)NSI6602V/NSI6602N:第二代高性能隔离式双通道栅极驱动器

  NSI6602V/NSI6602N是纳芯微第二代高性能隔离式双通道栅极驱动器, 相比第一代产品进一步增强了抗干扰能力和驱动能力,同时提高了输入侧的耐压能力,且功耗更低,可以支持最高2MHz工作开关频率。每个通道输出以快速的25ns传播延迟和5ns的最大延迟匹配来提供最大6A/8A的拉灌电流能力,150V/ns的共模瞬变抗扰度(CMTI) 提高了系统抗共模干扰能力。NSI6602V/NSI6602N有多个封装可供选择,最小封装是4*4mm LGA 封装,可用于GaN等功率密度要求高的场景。

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  3)NSI6601/NSI6601M:隔离式单通道栅极驱动器

  NSI6601/6601M 是隔离式单通道栅极驱动器,可以提供分离输出用于分别控制上升和下降时间。驱动器的输入侧为3.1V至17V电源电压供电,输出侧最大电源电压为32V,输入输出电源引脚均支持欠压锁定(UVLO)保护。它可以提供5A/5A 的拉/灌峰值电流,最低150V/ns的共模瞬变抗扰度(CMTI)确保了系统鲁棒性。此外,NSI6601M还集成了米勒钳位功能,可以有效抑制因米勒电流造成的误导通风险。

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  02、增强型(E-mode)GaN驱动方案

  一、E-mode GaN类型与特点

  不同于Cascode D-mode GaN通过级联低压Si MOS来实现常关型,E-mode GaN直接对GaN栅极进行p型掺杂来修改能带结构,改变栅极的导通阈值,从而实现常断型器件。

  根据栅极结构不同,E-mode GaN又分为欧姆接触的电流型和肖特基接触的电压型两种技术路线,其中电压型E-mode GaN最为主流,下文将主要介绍该类型GaN的驱动特性和方案。

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  这种类型E-mode GaN的优点是可以实现0V关断、正压导通,并且无需损害GaN的导通和开关特性。由于GaN没有体二极管,不存在二极管的反向恢复问题,在硬开关场合可以有效降低开关损耗和EMI噪声。然而,电压型E-mode GaN驱动电压范围较窄,一般典型驱动电压范围在5~6V,并且开启阈值也很低,对驱动回路的干扰与噪声会比较敏感,设计不当的话容易引起GaN误开通甚至栅极击穿。

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  *不同品牌的E-mode GaN栅极耐受负压能力差别较大,有的仅能耐受-1.4V,有的可耐受-10V负压。

  在低电压、小功率,或对死区损耗敏感的应用中,一般可使用0V电压关断;但是在高电压、大功率系统中,往往推荐采用负压关断来增强噪声抗扰能力,保证可靠关断。在设计栅极关断的负压时,除了需要考虑GaN本身的栅极耐压能力外,还需要考虑对效率的影响。如下表所示,这是因为E-mode GaN在关断状态下可以实现电流的反向流动即第三象限导通,但是反向导通压降和栅极关断的负压值相关,用于栅极关断的电压越负,反向压降就越大,相应的会带来更大的死区损耗。一般,对于500W以上高压应用,特别是硬开关,推荐-2V~-3V的关断负压。

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  ➯ 考虑E-mode GaN的以上驱动特性,对驱动器和驱动电路的设计一般需要满足:

  ◆ 具备100V/ns以上的CMTI,以满足高频应用的抗扰能力;

  ◆可提供5~6V的驱动电压,并且驱动器最好集成输出级LDO;

  ◆ 驱动器最好有分开的OUTH和OUTL引脚,从而不必通过二极管来区分开通和关断路径,避免了二极管压降造成GaN误导通的风险;

  ◆ 在高压、大功率应用特别是硬开关拓扑,可以提供负压关断能力;

  ◆ 尽可能小的传输延时和传输延时匹配,从而可以设定更小的死区时间,以减小死区损耗。

  二、E-mode GaN驱动方案

  分压式方案

  E-mode GaN可以采用传统的Si MOS驱动器来设计驱动电路,需要通过阻容分压电路做降压处理。如图8所示驱动电路,开通时E-mode GaN栅极电压被Zener管稳压在6V左右,关断时被Zener管的正向导通电压钳位在-0.7V左右。因此,GaN的开通和关断电压由Dz决定,和驱动器的供电电压无关。

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  更进一步的,如果在Dz的基础上,再反向串联一个Zener管,那么就可以实现负压关断。

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  如图10所示,为NSD1624采用10V供电,通过阻容分压的方式用于驱动E-mode GaN的典型应用电路。同样的,隔离式驱动器NSI6602V/NSI6602N、NSI6601/NSI6601M也可以采用这种电路,用于驱动E-mode GaN。对于阻容分压电路的原理与参数设计在E-mode GaN厂家的官网上都有相关应用笔记,在此不展开详解。

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  直驱式方案

  尽管阻容分压式驱动电路,可以采用传统的Si MOSFET驱动器来驱动E-mode GaN,但是需要复杂的外围电路设计,并且分压式方案的稳压管的寄生电容会影响到E-mode GaN的开关速度,应用会有一些局限性。对此,纳芯微针对E-mode GaN推出了专门的直驱式驱动器,外围电路设计更简单,可靠性更高,可以充分发挥E-mode GaN的性能优势。

  1)NSD2621:E-mode GaN专用高压半桥栅极驱动器

  NSD2621是专为E-mode GaN设计的高压半桥驱动芯片,该芯片采用了纳芯微的成熟电容隔离技术,可以支持-700V到+700V耐压,150V/ns的半桥中点dv/dt瞬变,同时具有低传输延时特性。高低边的驱动输出级都集成了LDO,在宽VCC供电范围内均可输出5~6V的驱动电压,并可提供2A/-4A的峰值驱动电流,同时具备了UVLO 功能,保护电源系统的安全工作。NSD2621 可提供高集成度的LGA (4*4mm) 封装,适用于高功率密度要求的应用场景。图5为NSD2621的典型应用电路,相比分压式电路,采用NSD2621无需电阻、电容、稳压管等外围电路,简化了系统设计,并且驱动更可靠。

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  2)NSD2017:E-mode GaN专用单通道低边栅极驱动器

  NSD2017是专为驱动E-mode GaN设计的车规级单通道低边驱动芯片,具有欠压锁定和过温保护功能,可以支持5V供电,分离的OUTH和OUTL引脚用于分别调节GaN的开通和关断速度,可以提供最大7A/-5A的峰值驱动电流。NSD2017动态性能出色,具备小于3ns的传输延时,支持1.25ns最小输入脉宽以及皮秒级的上升下降时间,可应用于激光雷达和电源转换器等应用。NSD2017有1.2mm*0.88mm WLCSP和2mm*2mm DFN车规级紧凑封装可选,封装具有最小的寄生电感,以减少上升和下降时间并限制振铃幅值。

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  3)NSI6602V/NSI6602N:E-mode GaN隔离驱动

  专门针对E-mode GaN隔离驱动的需求,纳芯微调节NSI6602V/NSI6602N的欠压点,使其可以直接用于驱动E-mode GaN:当采用0V关断时,选择4V UVLO版本;当采用负压关断时,可以选择6V UVLO版本。需要注意的是,当采用NSI6602V/NSI6602N直接驱动E-mode GaN时,上管输出必须采用单独的隔离供电,而不能采用自举供电。这是因为当下管E-mode GaN在死区时进入第三象限导通Vds为负压,此时驱动上管如果采用自举供电,那么自举电容会被过充,容易导致上管E-mode GaN的栅极被过压击穿。图13为NSI6602V/NSI6602N直驱E-mode GaN时的典型应用电路,提供+6V/-3V的驱动电压。

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  03、GaN功率芯片方案

  NSG65N15K是纳芯微最新推出的GaN功率芯片产品,内部集成了半桥驱动器和两颗耐压650V、导阻电阻150mΩ的E-mode GaN HEMT。NSG65N15K通过将驱动器和GaN合封在一起,消除了共源极电感Lcs,并且将栅极回路电感Lg也降到最小,避免了杂散电感的影响。NSG65N15K是9*9mm的QFN封装,相比传统分立方案的两颗5*6mm DFN封装的GaN开关管加上一颗4*4mm QFN封装的高压半桥驱动,加上外围元件,总布板面积可以减小40%以上。此外,NSG65N15K内置可调死区时间、欠压保护、过温保护功能,有利于实现GaN 应用的安全、可靠工作,并充分发挥其高频、高速的特性优势,适用于各类中小功率GaN应用场合。

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  04、纳芯微GaN驱动方案选型指南

  综上所述,纳芯微针对不同类型的GaN和各种应用场景,推出了一系列驱动IC解决方案,客户可以根据需求自行选择相应的产品:

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2026-01-29 09:39 阅读量:276
从隔离技术到功能安全,纳芯微栅极驱动构筑全场景应用护城河
  导读  从2020年初推出首款驱动芯片,短短数年时间,纳芯微在驱动芯片领域已实现了跨越式发展,核心依托自身在技术、产品、市场布局等多方面的核心竞争力。  在最近一次对外交流中,纳芯微技术市场经理庞家华就栅极驱动相关问题展开深度解读,既展现出纳芯微在产品端的创新实力,也清晰诠释了企业快速成长的底层逻辑。  锚定核心市场,打造核心优势  栅极驱动芯片是一种用于控制半导体功率器件(如 MOSFET、IGBT、SiC MOSFET、 GaN HEMT 等)开关速度和时间的集成电路。栅极驱动芯片可以放大控制器件的开关控制信号,提供足够的电流来对半导体功率器件的栅极进行快速充放电,从而实现高速开关,减少开关过程中的能量损失,并保护控制器件不受到过高电压或电流的损害。  庞家华表示,栅极驱动的核心应用市场高度集中,汽车电子、电源领域(含服务器电源、各类电源模块)、光伏领域、工业自动化领域(如变频器、伺服系统)四大场景,占据了整个市场份额的百分之七八十。这四大市场,恰好也是纳芯微深耕最多年的主力赛道。  他指出,这些核心应用场景的共性需求,是对产品可靠性的极致追求。无论是汽车电驱系统还是光伏逆变器,驱动芯片一旦出现故障,都可能引发终端应用的灾难性后果,因此客户往往将可靠性放在首位。特别是相较于马达驱动,栅极驱动往往都是大功率的应用,对于可靠性的需求不言而喻。在这一关键维度上,纳芯微的产品失效率小于1ppm(百万分之一失效率)。更重要的是,经过前几年的市场验证,纳芯微栅极驱动产品性能更稳定、不良率更低。  纳芯微作为专业的驱动及电源芯片供应商,持续投入核心资源打磨产品性能,同时立足客户多元化的功率器件应用需求,打造出可适配不同需求的栅极驱动产品,充分贴合实际应用中的器件搭配需求。  理解全场景,围绕应用构建一站式产品树  纳芯微始终以 “一站式产品树” 为核心布局逻辑,针对核心领域覆盖全应用场景,并对每个场景做深度技术耕耘,核心思路是精准把握场景痛点、实现全物料配套覆盖。  在栅极驱动核心应用领域,如电驱系统、车载充电机(OBC)、光伏逆变器、服务器电源等,纳芯微不仅提供驱动芯片,还配套采样芯片、电源芯片及各类传感器,实现不同功率等级应用场景的全覆盖。  庞家华表示,栅极驱动尽管在应用场景中作用大体相同,但由于应用本身也在不断发展演变并产生新的需求,纳芯微会将这些新需求列为解决的目标,并根据客户的产品规划来构建产品树,与客户共同成长。“我们会持续关注重点应用的发展趋势,紧跟客户的产品迭代节奏,从而不断完善产品树,这一逻辑不仅适用于栅极驱动产品,也适用于公司所有产品方向。”庞家华强调道。  纳芯微采用了“量产一代、研发一代、预研一代”的研发节奏,基本上每年都会有新产品推出。“前几年需要先完善产品种类,所以迭代节奏相对慢,后续我们希望能够保持一年一代的迭代路线图,未来当产品迭代到一定阶段后,会进入创新突破期,届时迭代周期可能会调整为2-3年一代,中间的间隔期主要用于研发创新型产品。”对于产品迭代节奏,庞家华如是说道。  目前,纳芯微已形成多系列核心产品矩阵:NSI6602 系列(半桥驱动)、NSI6801 系列(光耦替代型驱动)、NSI6611/6651 系列(智能保护功能驱动)构成核心老产品体系。  2024 年,多款迭代产品与全新产品陆续推出:  NSI6801 系列迭代至第三代 NSI6801E,在成本、售价及综合性能上实现全面提升;  NSI6602 系列升级至第三代 NSI6602ME,作为全球首款带米勒钳位功能的半桥驱动,有效抑制碳化硅(SiC)应用中的米勒震荡,在 OBC 及 SiC 应用客户中反响热烈;  NSI6611/6651 系列迭代至第二代 NSI67xx 系列,集成模拟信号采样或 ASC 保护功能,功能更丰富。  另外,纳芯微也推出了全新功能安全驱动 NSI6911F,作为国内首款应用于电驱系统的功能安全驱动芯片。  栅极驱动选型指南  栅极驱动的选型主要分为以下几个步骤:  第一步,先确定选择隔离驱动还是非隔离驱动。如需为了极致控制成本,且对性能、耐压要求不高,会选择非隔离驱动;如果应用场景对隔离、耐压有要求,则需要选择不同等级的隔离驱动。  第二步,根据驱动对象和功率等级选择合适的驱动电流和驱动电压,不同的功率器件(如氮化镓GaN、碳化硅SiC、绝缘栅双极型晶体管IGBT等)对驱动电流和电压的要求不同,需要根据具体的功率器件类型和功率等级来匹配。  第三步,选择额外的功能模块,包括保护功能,普通保护只有欠压保护、死区时间保护等;而智能栅极驱动集成了米勒钳位、退饱和保护、软关断电流、电源告警上报等复杂的保护功能。另外还有ADC采样、功能安全等等不同的需求。  另外,还可以根据拓扑结构进行选型,比如选择单管驱动(仅驱动一个功率管)或半桥驱动(驱动两个功率管)。  根据隔离、驱动种类、功能模块的区别,纳芯微有一系列独到的技术组合。庞家华特别强调,从隔离到驱动再到保护、采样和电源等功能,纳芯微多年的产品研发过程中积累了大量的成熟IP,可以支持驱动类产品的不断创新演进。  适配第三代半导体,栅极驱动定制化解决方案  随着第三代半导体的流行,纳芯微在栅极驱动方面做了非常多的工作,以适配不同的第三代半导体。  首先对于SiC而言,性能与IGBT相比差异不大,但SiC的开关速度更快,这要求驱动芯片具备更高的共模瞬变抗扰度(CMTI),以避免噪声导致器件误操作。  对于GaN而言,驱动则相对复杂,核心难点在于高频场景下的震荡抑制,需要优化驱动电流输出,同时GaN的栅极-源极(GS)电压耐受能力较弱,过压容易导致器件损坏,所以需要确保输出电压稳定。“这些技术难点无法通过一句话概括,核心还是“实践出真知”,需要不断测试、优化,才能让产品性能达到最优。因此,纳芯微选择与头部功率器件厂商联合开发,是我们做好GaN驱动的关键,也是我们的核心优势之一。”庞家华介绍道。  按照栅极特性差异,GaN分为常开的耗尽型(D-mode)和常关的增强型(E-mode)两种类型;按照应用场景差异,GaN需要隔离或非隔离、低边或自举、零伏或负压关断等多种驱动方式。针对不同类型的GaN和各种应用场景,纳芯微推出了一系列驱动IC解决方案,充分发挥GaN器件的性能优势。  其中耗尽型GaN内部集成了一个小的MOSFET,和传统的MOSFET驱动差异不大,因此使用常规驱动芯片就能够驱动。  去年9月,纳芯微、联合电子与英诺赛科共同签署战略合作协议,三方将聚焦新能源汽车功率电子系统,联合研发智能集成GaN相关产品。全新开发的智能GaN产品将依托三方技术积淀,提供更可靠的驱动及GaN保护集成方案,进一步提升系统功率密度。“GaN作为第三代半导体,目前仍处于技术探索阶段,无论是驱动芯片还是功率器件本身,都存在不少技术难点,要做好GaN驱动,需要进行联合开发,这将是一个不断摸索的过程。”庞家华强调道。  高功率场景 栅极驱动双核心保护技术解析  随着功率等级越来越高,保护电路越来越重要,选择一款合适的驱动器,可以显著提高系统的可靠性,简化系统设计,缩短研发成本。对于功率越来越大的器件,都可能因为误导通或dv/dt变化太快从而烧毁器件,因此目前保护功能中,退饱和保护(DESAT)和米勒钳位是值得注意的两项技术。  退饱和保护主要是短路保护功能,它通过集成恒流源和比较器,监测功率器件的VCE电压,当检测到短路时,会触发软关断功能,缓慢关断功率器件,避免器件因短路烧毁。关断过程不会瞬间完成,而是缓慢进行,防止关断过快导致过压损坏。  米勒钳位技术则主要是为了抑制米勒效应。米勒效应是在功率管开关过程中,功率管的集电极(C极)和栅极(G极)之间存在寄生电容CGD,在开关过程中会产生dv/dt变化,dv/dt与CGD的乘积会形成米勒电流,该电流会流向栅极,而栅极存在电阻Rg,电流通过电阻会产生电压,导致栅极-源极之间出现压差,从而使功率管被误打开,这就是米勒效应。  米勒钳位技术就是通过增加一条低阻抗的泄放路径,将米勒电流释放到地,避免栅极-源极电压被抬高,防止功率管误导通。  ASIL-D 功能安全驱动 构筑电驱系统安全核心  功能安全指的是,栅极驱动芯片可以通过对驱动芯片自身、功率模块以及驱动系统中的失效模式进行识别,结合内在安全机制和系统级安全控制逻辑,在故障容忍时间间隔(FTTI)内使系统进入安全状态,避免因故障导致严重的危害人身安全的事件发生。  采用满足功能安全标准的芯片来进行功能安全零部件的开发,可以大大简化系统开发流程,减少软硬件设计难度,降低失效风险,提高可靠性和鲁棒性。纳芯微的功能安全栅极驱动芯片集成了系统功能需求模块和诊断需求模块,可以有效降低系统成本。同时支持软件智能配置,可针对不同应用场景及功率模块的产品,实现差异化配置开发。“功能安全本质上是系统级的概念,即使不使用功能安全驱动芯片,也可以通过增加冗余设计、额外的保护电路等方式,实现较高的系统功能安全等级,只是这样会增加设计复杂度和成本。”庞家华介绍道。  庞家华表示,尽管目前行业内并没有强制功能安全的驱动,但中高端车型越来越注重性能和安全,通常会选择更高安全标准的产品,随着未来行业标准的不断演进,有可能推动功能安全驱动的强制性要求。  展望未来  庞家华表示,除功能安全,压摆率调节将成为栅极驱动的另外一个重要发展方向,该技术通过在轻载、重载等不同工况下动态调节驱动电流,优化 dv/dt 和功率损耗之间的权衡,从而实现全场景效率最大化,既契合绿色能源发展的行业共识,又能有效帮助客户降低电池、体积等核心成本,具备显著的技术价值与市场潜力。  实际上,在不久前出版的《节能与新能源汽车技术路线图3.0》上,纳芯微技术专家方舟介绍了栅极驱动的关键技术发展趋势,产品将向高性能、集成化、高可靠性与高安全性演进。比如,栅极驱动的关键技术趋势包括提升驱动电流能力,提供智能驱动电流调节和共模瞬变抗干扰度。此外,在工艺上还将攻关垂直MOS工艺、垂直BCD工艺及车规耐高压工艺等,预计到2040年通过设计与工艺优化实现桥驱与高边导通内阻进一步降低,全面支持48V系统。  另外值得一提的是未来的服务器市场,特别是AI算力中心的发展,对于功率的需求越来越大,给电源驱动带来了新的机会。庞家华认为,服务器电源追求极致的功率密度,要求体积越来越小,GaN能够充分发挥高频特性,是目前高功率密度的最优选择,纳芯微也将积极拓展该领域的布局。  “对于栅极驱动而言,功能的提升相对简单,更重要的是贴合应用场景进行技术升级。工艺优化也是同理,需要在抗干扰能力、压摆率调节功能、更大的驱动电流这些功能增加的同时,尽量缩小芯片面积,在功能和成本上达到平衡。”庞家华总结道。
2026-01-28 09:58 阅读量:299
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