納芯微發(fā)布專為增強(qiáng)型GaN設(shè)計(jì)的高壓半橋驅(qū)動(dòng)芯片NSD2622N，該芯片集成正負(fù)壓穩(wěn)壓電路，支持自舉供電，具備高dv/dt抗擾能力和強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，可以顯著簡化GaN驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)可靠性并降低系統(tǒng)成本。

應(yīng)用背景

近年來，氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)憑借高開關(guān)頻率、低開關(guān)損耗的顯著優(yōu)勢(shì)，能夠大幅提升電源系統(tǒng)的功率密度，明顯優(yōu)化能效表現(xiàn)，降低整體系統(tǒng)成本，在人工智能(AI)數(shù)據(jù)中心電源、微型逆變器、車載充電機(jī)(OBC)等高壓大功率領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。

然而，GaN器件在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。以增強(qiáng)型氮化鎵(E-mode GaN)器件為例，由于導(dǎo)通閾值較低，在高壓大功率場景，特別是硬開關(guān)工作模式下，如果驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，高頻、高速開關(guān)過程中極易因串?dāng)_而導(dǎo)致誤導(dǎo)通現(xiàn)象。與此同時(shí)，適配的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜，這無疑提高了GaN器件的應(yīng)用門檻。

為了加速GaN應(yīng)用普及，國內(nèi)外頭部GaN廠家近年來推出了一些集成驅(qū)動(dòng)IC的GaN功率芯片，特別是MOSFET-LIKE類型的GaN功率芯片，其封裝形式可與Si MOSFET兼容，在一定程度上降低了GaN驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)難度。但集成驅(qū)動(dòng)的GaN芯片仍存在很多局限性：一方面難以滿足一些客戶對(duì)于差異化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求；另一方面，在多管并聯(lián)、雙向開關(guān)等應(yīng)用場景中并不適用，所以在諸多應(yīng)用場景中仍需要分立GaN器件及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)此，納芯微針對(duì)E-mode GaN開發(fā)專用驅(qū)動(dòng)芯片NSD2622N，致力于為高壓大功率場景下的GaN應(yīng)用，提供高性能、高可靠性且具備成本競爭力的驅(qū)動(dòng)解決方案。

產(chǎn)品特性

NSD2622N是一款專為E-mode GaN設(shè)計(jì)的高壓半橋驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片內(nèi)部集成了電壓調(diào)節(jié)電路，可以生成5V~6.5V可配置的穩(wěn)定正壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)GaN器件的可靠驅(qū)動(dòng)；內(nèi)部還集成了電荷泵電路，可以生成-2.5V的固定負(fù)壓用于GaN可靠關(guān)斷。該芯片由于將正負(fù)電源穩(wěn)壓電路集成到內(nèi)部，因此可以支持高邊輸出采用自舉供電方式。

NSD2622N采用納芯微成熟可靠的電容隔離技術(shù)，高邊驅(qū)動(dòng)可以支持-700V到+700V耐壓，最低可承受200V/ns的SW電壓變化速率，同時(shí)高低邊輸出具有低傳輸延時(shí)和較小的傳輸延時(shí)匹配特性，完全滿足GaN高頻、高速開關(guān)的需求。此外，NSD2622N高低邊輸出均能提供2A/-4A峰值驅(qū)動(dòng)電流，足以應(yīng)對(duì)各類GaN應(yīng)用對(duì)驅(qū)動(dòng)速度的要求，并且可用于GaN并聯(lián)使用場景。NSD2622N內(nèi)部還集成一顆5V固定輸出的LDO，可以為數(shù)字隔離器等電路供電，以用于需要隔離的應(yīng)用場景。

NSD2622N詳細(xì)參數(shù)：

SW耐壓范圍：-700V~700V

SW dv/dt抑制能力大于200V/ns

支持5V~15V寬范圍供電

5V~6.5V可調(diào)輸出正壓

-2.5V內(nèi)置輸出負(fù)壓

2A/4A峰值驅(qū)動(dòng)電流

典型值10ns最小輸入脈寬

典型值38ns輸入輸出傳輸延時(shí)

典型值5ns脈寬畸變

典型值6.5ns上升時(shí)間（1nF 負(fù)載）

典型值6.5ns下降時(shí)間（1nF 負(fù)載）

典型值20ns內(nèi)置死區(qū)

高邊輸出支持自舉供電

內(nèi)置LDO固定5V輸出用于數(shù)字隔離器供電

具備欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)

工作環(huán)境溫度范圍：-40℃~125℃

NSD2622N功能框圖

告別誤導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)，提供更穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電壓

相較于普通的Si MOSFET驅(qū)動(dòng)方案，E-mode GaN驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的最大痛點(diǎn)是需要提供適當(dāng)幅值且穩(wěn)定可靠的正負(fù)壓偏置。這是因?yàn)镋-mode GaN驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通電壓一般在5V~6V，而導(dǎo)通閾值相對(duì)較低僅1V左右，在高溫下甚至更低，往往需要負(fù)壓關(guān)斷以避免誤導(dǎo)通。為了給E-mode GaN提供合適的正負(fù)壓偏置，一般有阻容分壓和直驅(qū)兩種驅(qū)動(dòng)方案：

1.阻容分壓驅(qū)動(dòng)方案

這種驅(qū)動(dòng)方案可以采用普通的Si MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片，如圖所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)開通時(shí)，圖中Cc與Ra并聯(lián)后和Rb串聯(lián)，將驅(qū)動(dòng)供電電壓（如10V）進(jìn)行分壓后，為GaN柵極提供6V驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通電壓，Dz1起到鉗位正壓的作用；當(dāng)驅(qū)動(dòng)關(guān)斷時(shí)，Cc電容放電為GaN柵極提供關(guān)斷負(fù)壓，Dz2起到鉗位負(fù)壓的作用。

阻容分壓驅(qū)動(dòng)方案

以上阻容分壓電路盡管對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片要求不高，但由于驅(qū)動(dòng)回路元器件數(shù)量較多，容易引入額外寄生電感，會(huì)影響GaN在高頻下的開關(guān)性能。此外，由于阻容分壓電路的關(guān)斷負(fù)壓來自于電容Cc放電，關(guān)斷負(fù)壓并不可靠。

如以下半橋demo板實(shí)測波形所示，在啟機(jī)階段（圖中T1）由于電容Cc還沒有充電，負(fù)壓無法建立，所以此時(shí)是零壓關(guān)斷；在驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)波后的負(fù)壓關(guān)斷期間（圖中T2），負(fù)壓幅值隨電容放電波動(dòng)；在長時(shí)間關(guān)斷時(shí)（圖中T3），電容負(fù)壓無法維持，逐漸放電到零伏。因此，阻容分壓電路往往用于對(duì)可靠性要求相對(duì)較低的中小功率電源應(yīng)用，對(duì)于大功率電源系統(tǒng)并不適用。

E-mdoe GaN采用阻容分壓驅(qū)動(dòng)電路波形（CH2為驅(qū)動(dòng)供電，CH3為GaN柵源電壓）

2.直驅(qū)式驅(qū)動(dòng)方案

直驅(qū)式驅(qū)動(dòng)方案首先需要選取合適欠壓點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)芯片，如NSI6602VD，專為驅(qū)動(dòng)E-mode GaN設(shè)計(jì)了4V UVLO閾值，再配合外部正負(fù)電源穩(wěn)壓電路，就可以直接驅(qū)動(dòng)E-mode GaN，以下為典型應(yīng)用電路：

NSI6602VD驅(qū)動(dòng)電路

正負(fù)電源穩(wěn)壓電路

這種直驅(qū)式驅(qū)動(dòng)電路在輔助電源正常工作時(shí)，各種工況下都可以為GaN提供可靠的關(guān)斷負(fù)壓，因此被廣泛使用在各類高壓大功率GaN應(yīng)用場景。

納芯微開發(fā)的新一代GaN驅(qū)動(dòng)NSD2622N則直接將正負(fù)穩(wěn)壓電源集成在芯片內(nèi)部，如以下半橋demo板實(shí)測波形所示，NSD2622N關(guān)斷負(fù)壓的幅值、維持時(shí)間不受工況影響，在啟機(jī)階段（圖中T1）驅(qū)動(dòng)發(fā)波前負(fù)壓即建立起來；在GaN關(guān)斷期間（圖中T2），負(fù)壓幅值穩(wěn)定；在驅(qū)動(dòng)芯片長時(shí)間不發(fā)波時(shí)（圖中T3），負(fù)壓仍然穩(wěn)定可靠。

E-mode GaN采用NSD2622N驅(qū)動(dòng)電路波形（CH2為低邊GaN Vds，CH3為低邊GaN Vgs）

簡化電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)成本

NSD2622N不僅可以通過直驅(qū)方式穩(wěn)定、可靠驅(qū)動(dòng)GaN，最為重要的是，NSD2622N通過內(nèi)部集成正負(fù)穩(wěn)壓電源，顯著減少了外圍電路元器件數(shù)量，并且采用自舉供電方式，極大簡化了驅(qū)動(dòng)芯片的供電電路設(shè)計(jì)并降低系統(tǒng)成本。

以3kW PSU為例，假設(shè)兩相交錯(cuò)TTP PFC和全橋LLC均采用GaN器件，對(duì)兩種直驅(qū)電路方案的復(fù)雜度進(jìn)行對(duì)比：

如果采用NSI6602VD驅(qū)動(dòng)方案，需要配合相應(yīng)的隔離電源電路與正負(fù)電源穩(wěn)壓電路，意味著每一路半橋的高邊驅(qū)動(dòng)都需要一路獨(dú)立的隔離供電，所以隔離輔助電源的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。鑒于GaN驅(qū)動(dòng)對(duì)供電質(zhì)量要求較高，且PFC和LLC的主功率回路通常分別放置在獨(dú)立板卡上，因此，往往需要采用兩級(jí)輔助電源架構(gòu)，第一級(jí)使用寬輸入電壓范圍的器件如flyback生成穩(wěn)壓軌，第二級(jí)可以采用開環(huán)全橋拓?fù)涮峁└綦x電源，并進(jìn)一步穩(wěn)壓生成NSI6602VD所需的正負(fù)供電電源，以下為典型供電架構(gòu)：

NSI6602VD驅(qū)動(dòng)方案典型供電架構(gòu)

如果采用NSD2622N驅(qū)動(dòng)方案，則可以直接通過自舉供電的方式來簡化輔助電源設(shè)計(jì)，以下為典型供電架構(gòu)：

NSD2622N驅(qū)動(dòng)方案典型供電架構(gòu)

將以上兩種GaN直驅(qū)方案的驅(qū)動(dòng)及供電電路BOM進(jìn)行對(duì)比并匯總在下表，可以看到NSD2622N由于可以采用自舉供電，和NSI6602VD的隔離供電方案相比極大減少了整體元器件數(shù)量，并降低系統(tǒng)成本；即使采用隔離供電方式，NSD2622N由于內(nèi)部集成正負(fù)穩(wěn)壓電源，相比NSI6602VD外圍電路更簡化，因此整體元器件數(shù)量也更少，系統(tǒng)成本更低。

GaN直驅(qū)方案的驅(qū)動(dòng)及供電電路BOM對(duì)比

適配多種類型GaN，驅(qū)動(dòng)電壓靈活調(diào)節(jié)

納芯微開發(fā)的E-mode GaN驅(qū)動(dòng)芯片NSD2622N，不僅性能強(qiáng)大，還能夠適配不同品牌、不同類型（例如電壓型和電流型）以及不同耐壓等級(jí)的GaN器件。舉例來說，NSD2622N的輸出電壓通過反饋電阻可以設(shè)定5V~6.5V的驅(qū)動(dòng)電壓。這樣一來，在搭配不同品牌的GaN時(shí)，僅僅通過調(diào)節(jié)反饋電阻就可以根據(jù)GaN特性設(shè)定最合適的驅(qū)動(dòng)電壓，使不同品牌的GaN都能工作在最優(yōu)效率點(diǎn)。

除此之外，NSD2622N具備最低200V/ns的SW節(jié)點(diǎn)dv/dt抑制能力，提升了GaN開關(guān)速度上限；采用更為緊湊的QFN封裝以及提供獨(dú)立的開通、關(guān)斷輸出引腳，從而進(jìn)一步減小驅(qū)動(dòng)回路并降低寄生電感；提供過溫保護(hù)功能，使GaN應(yīng)用更安全。

納芯微還可提供單通道GaN驅(qū)動(dòng)芯片NSD2012N，采用3mm*3mm QFN封裝，并增加了負(fù)壓調(diào)節(jié)功能，從而滿足更多個(gè)性化應(yīng)用需求。