ISSCC 2021: Интегрированный привод затвора GaN переключает питание от сети при> 100 В / нс.

Силовые транзисторы на основе GaN становятся золотым стандартом для быстрого и компактного переключения питания от сети — GaN HEMT не имеют заряда обратного восстановления и могут быть разработаны с низким сопротивлением в открытом состоянии и низкой паразитной емкостью.

Тем не менее, их ворота суетливы, и невероятно суетливы, если вся доступная скорость должна быть выжата из этой технологии. Несоответствующее управление затвором может навсегда ослабить переключающий транзистор, необратимо инжектируя заряд в слои, окружающие двумерный электронный газ, на который полагаются HEMT.

Это привело к интеграции прецизионных драйверов затвора вместе с транзисторами либо в виде отдельной КМОП-микросхемы внутри корпуса транзистора, либо путем создания драйвера на том же слое GaN, что и транзистор — Panasonic сделала это в 2014 году в преобразователе постоянного тока в постоянный. с использованием транзисторов с инжекцией затвора, и Университет Лейбница, Ганновер, и TI представили преобразователь постоянного тока на ISSCC2020

Теперь Национальный университет Цзяо Дун объединился с Realtek, чтобы вывести интегрированный привод на новый уровень, превратив трехскатный привод с температурной компенсацией в конструкцию, полностью выполненную из GaN.

Вождение с тремя наклонами по-разному управляет затвором до, во время и после включения плато Миллера — плато — это нежелательная пауза при включении, когда падающее напряжение стока емкостным образом передается на затвор, останавливая его рост.

В этом случае драйвер является автоматическим (см. Диаграмму) с использованием трех источников тока для усиления привода затвора при включении, каждый из которых активируется через быстрый компаратор с помощью собственной обратной связи по напряжению от стробирующего сигнала.

Температурно-зависимые характеристики главного переключателя GaN — устройства с усиленным режимом 650 В (e-GaN) — моделируются генератором напряжения PTAT (пропорционального абсолютной температуре), который обеспечивает подходящие пороги для трех компараторов для переключиться на. Результат — надежный привод ворот без перегрузки при температуре от -40 до + 160 ° C.

Внутри генератора PTAT каскодированные затвор-сток-закороченные 12V e-GaN создают напряжения, зависящие от температуры.

Все GaN HEMT являются n-канальными — нет эквивалента МОП-транзисторам с p-каналом или pnp-транзисторам. Вместо полевых транзисторов с р-каналом в качестве устройств высокого напряжения в этой схеме используются HEMT 12 В в режиме истощения в качестве источников постоянного тока, с которыми могут работать транзисторы на нижней стороне — работа класса A, если хотите.

Схема переключает 650 В, а привод работает от 12 В, с внутренним регулированием, устраняющим влияние колебаний напряжения питания. Он может работать на частоте 50 МГц, с dV _ds / dt 118 В / нс и максимальной выходной мощностью 65 Вт.

Для изготовления силовой ИС размером 2,5 x 2,4 мм использовался процесс GaN-на-Si 0,5 мкм.

Документ ISSCC 2021 33.1 Полностью интегрированный драйвер затвора GaN-на-кремнии и GaN-переключатель с технологией быстрого включения с температурной компенсацией для повышения надежности

Чтобы увидеть, какие другие разработки GaN были раскрыты в сеансе 33, и были другие приводы затворов, загрузите программу, щелкнув здесь

Изображение выше скопировано из дайджеста ISSCC с разрешения