納芯微全新推出GaN相關(guān)產(chǎn)品NSD2621和NSG65N15K

納芯微全新推出GaN相關(guān)產(chǎn)品，包含GaN驅(qū)動(dòng)NSD2621與集成化的Power Stage產(chǎn)品NSG65N15K，均可廣泛適用于快充、儲(chǔ)能、服務(wù)器電源等多種GaN應(yīng)用場(chǎng)景。

其中，NSD2621是一顆高壓半橋柵極驅(qū)動(dòng)芯片，專門(mén)用于驅(qū)動(dòng)E?mode（增強(qiáng)型）GaN 開(kāi)關(guān)管；NSG65N15K是一顆集成化的Power Stage產(chǎn)品，內(nèi)部集成了高壓半橋驅(qū)動(dòng)器和兩顆650V耐壓的GaN開(kāi)關(guān)管。

NSD2621產(chǎn)品特性：
01. SW引腳耐壓±700V
02. 峰值驅(qū)動(dòng)電流2A/-4A
03. 驅(qū)動(dòng)輸出集成內(nèi)部穩(wěn)壓器，驅(qū)動(dòng)電壓5V/5.5V/6V可選
04. 傳輸延時(shí)典型值30ns，上下管驅(qū)動(dòng)傳輸延時(shí)匹配低于10ns
05. 內(nèi)部可調(diào)死區(qū)時(shí)間20ns~100ns
06. SW允許共模瞬變高達(dá)150V/ns
07. 獨(dú)立的SGND和PGND引腳
08. 集成欠壓保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)
09. 工作溫度范圍-40°C~125°C
10. QFN15 4*4mm封裝

NSD2621功能框圖

1. NSD2621將隔離技術(shù)應(yīng)用于高壓半橋驅(qū)動(dòng)，解決了GaN應(yīng)用橋臂中點(diǎn)SW引腳的共模瞬變和負(fù)壓尖峰問(wèn)題。

在GaN應(yīng)用中，為了減小開(kāi)關(guān)損耗，其開(kāi)關(guān)速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的Si MOSFET, 橋臂中點(diǎn)的dv/dt達(dá)到了50V/ns甚至更高，這對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片SW引腳的共模瞬變抗擾度提出了極高的要求。同時(shí)，高速開(kāi)關(guān)導(dǎo)致的di/dt與寄生電感會(huì)在SW引腳產(chǎn)生瞬態(tài)負(fù)壓尖峰，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)生閂鎖甚至損壞。

NSD2621的上管驅(qū)動(dòng)采用隔離技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，共模瞬變抗擾度高達(dá)150V/ns，并且可以耐受700V的負(fù)壓，有效提升了系統(tǒng)的可靠性。
2. NSD2621內(nèi)部集成穩(wěn)壓器，有利于保持柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值穩(wěn)定，保護(hù)GaN開(kāi)關(guān)管柵級(jí)免受過(guò)壓應(yīng)力的影響。

與傳統(tǒng)的Si MOSFET器件不同，E-mode GaN器件的柵源電壓要求極為嚴(yán)格，一般耐壓最大值不超過(guò)7V。在開(kāi)關(guān)電源中由于系統(tǒng)噪聲的影響，驅(qū)動(dòng)芯片VDD或者BST引腳容易引入高頻干擾，會(huì)引起柵極驅(qū)動(dòng)電壓的過(guò)沖，從而導(dǎo)致GaN開(kāi)關(guān)管損壞。

NSD2621上下管的驅(qū)動(dòng)輸出都集成了內(nèi)部穩(wěn)壓器LDO，可以有效抑制VDD或BST引入的高頻干擾，避免損壞GaN開(kāi)關(guān)管。此外NSD2621可以靈活地選擇6V/5.5V/5V不同驅(qū)動(dòng)電壓版本，適用于各類品牌的GaN開(kāi)關(guān)管器件。
3. NSD2621超短傳輸延時(shí)有利于減小GaN死區(qū)損耗，并且內(nèi)置可調(diào)死區(qū)時(shí)間功能，可有效避免發(fā)生橋臂直通。

GaN器件可以反向?qū)?，其反向?qū)ㄌ匦源媪似胀∕OSFET體二極管的續(xù)流作用，但在負(fù)載電流較大時(shí)其較高的反向?qū)▔航禃?huì)造成較大損耗，降低了系統(tǒng)效率。為了減小GaN反向?qū)〒p耗，應(yīng)設(shè)置盡可能小的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的設(shè)置除了與電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方式有關(guān)，還受到驅(qū)動(dòng)芯片傳輸延時(shí)的限制。

傳統(tǒng)的高壓半橋驅(qū)動(dòng)芯片的上管驅(qū)動(dòng)需要采用電平移位設(shè)計(jì)，為減小功耗多采用脈沖鎖存式電平轉(zhuǎn)換器，造成傳輸延時(shí)較長(zhǎng)，無(wú)法滿足GaN 應(yīng)用的需求。NSD2621上管驅(qū)動(dòng)采用納芯微擅長(zhǎng)的隔離技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳輸延時(shí)典型值僅30ns，并且上下管驅(qū)動(dòng)的傳輸延時(shí)匹配在10ns以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)GaN開(kāi)關(guān)管設(shè)置幾十納秒以內(nèi)的死區(qū)時(shí)間。同時(shí)，NSD2621內(nèi)置20ns~100ns可調(diào)的硬件死區(qū)時(shí)間，可以有效避免發(fā)生橋臂直通的情況。

NSD2621內(nèi)置死區(qū)時(shí)間測(cè)試波形

如上圖所示，CH1為上管驅(qū)動(dòng)輸入 ，CH2為下管驅(qū)動(dòng)輸入，CH3為上管驅(qū)動(dòng)輸出，CH4為下管驅(qū)動(dòng)輸出。一開(kāi)始當(dāng)上管和下管驅(qū)動(dòng)輸入都為高電平時(shí)，為避免橋臂直通，上下管驅(qū)動(dòng)輸出都為低電平；當(dāng)下管驅(qū)動(dòng)輸入變?yōu)榈碗娖剑?jīng)過(guò)30ns的傳輸延時(shí)和內(nèi)置20ns的死區(qū)時(shí)間后，上管驅(qū)動(dòng)輸出變?yōu)楦唠娖健?/span>

NSG65N15K產(chǎn)品特性

為進(jìn)一步發(fā)揮GaN高頻、高速的特性優(yōu)勢(shì)，納芯微同時(shí)推出了集成化的Power Stage產(chǎn)品NSG65N15K，內(nèi)部集成了半橋驅(qū)動(dòng)器NSD2621和兩顆耐壓650V、導(dǎo)阻電阻150mΩ的GaN開(kāi)關(guān)管，工作電流可達(dá)20A。NSG65N15K內(nèi)部還集成了自舉二極管，并且內(nèi)置可調(diào)死區(qū)時(shí)間、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)功能，可以用于圖騰柱PFC、ACF和LLC等半橋或全橋拓?fù)洹?/span>

 NSG65N15K功能框圖

1. NSG65N15K用一顆器件取代驅(qū)動(dòng)器和兩顆開(kāi)關(guān)管組成的半橋，有效減少元件數(shù)量和布板面積。

NSG65N15K是9*9mm的QFN封裝，相比傳統(tǒng)分立方案的兩顆5*6mm DFN封裝的GaN開(kāi)關(guān)管加上一顆4*4mm QFN封裝的高壓半橋驅(qū)動(dòng)，加上外圍元件，總布板面積可以減小40%以上，從而有效提高電源的功率密度。同時(shí)，NSG65N15K的走線更方便PCB布局，有利于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔快速的方案設(shè)計(jì)。
2. NSG65N15K的合封設(shè)計(jì)有助于減小驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)管之間的寄生電感，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提高可靠性。

如下圖所示，傳統(tǒng)的分立器件方案，會(huì)引入由于PCB走線造成的柵極環(huán)路電感Lg_pcb和由于GaN內(nèi)部打線造成的共源極電感Lcs。

傳統(tǒng)分立方案引入寄生電感

其中，柵極環(huán)路電感Lg_pcb會(huì)在柵極電壓開(kāi)通或關(guān)斷過(guò)程產(chǎn)生振鈴，如果振鈴超出GaN的柵源電壓范圍，容易造成柵極擊穿；并且在上管開(kāi)通過(guò)程中，高dv/dt產(chǎn)生的米勒電流會(huì)在下管的Lg_pcb上產(chǎn)生正向壓降，有可能造成GaN的柵極電壓大于開(kāi)啟電壓，從而誤導(dǎo)通。而共源極電感Lcs造成的影響，主要是會(huì)限制GaN電流的di/dt，增加額外的開(kāi)關(guān)損耗；此外，在GaN開(kāi)通過(guò)程電流增大，由于di/dt會(huì)在Lcs上產(chǎn)生正向壓降，降低了GaN的實(shí)際柵極電壓，增大了開(kāi)通損耗。

NSG65N15K減小雜散電感的影響

如上圖所示，NSG65N15K通過(guò)將驅(qū)動(dòng)器和GaN合封在一起，消除了共源極電感Lcs，并且將柵極回路電感Lg也降到最小，避免了雜散電感的影響，可以有效地提高系統(tǒng)效率與可靠性。