納芯微發布專為增強型GaN設計的高壓半橋驅動芯片NSD2622N，該芯片集成正負壓穩壓電路，支持自舉供電，具備高dv/dt抗擾能力和強驅動能力，可以顯著簡化GaN驅動電路設計，提升系統可靠性并降低系統成本。 應用背景 近年來，氮化鎵高電子遷移率晶體管(GaN HEMT)憑借高開關頻率、低開關損耗的顯著優勢，能夠大幅提升電源系統的功率密度，明顯優化能效表現，降低整體系統成本，在人工智能(AI)數據中心電源、微型逆變器、車載充電機(OBC)等高壓大功率領域得到日益廣泛的應用。 然而，GaN器件在實際應用中仍面臨諸多挑戰。以增強型氮化鎵(E-mode GaN)器件為例，由于導通閾值較低，在高壓大功率場景，特別是硬開關工作模式下，如果驅動電路設計不當，高頻、高速開關過程中極易因串擾而導致誤導通現象。與此同時，適配的驅動電路設計也比較復雜，這無疑提高了GaN器件的應用門檻。 為了加速GaN應用普及，國內外頭部GaN廠家近年來推出了一些集成驅動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驅動電路的設計難度。但集成驅動的GaN芯片仍存在很多局限性：一方面難以滿足一些客戶對于差異化產品設計的需求；另一方面，在多管并聯、雙向開關等應用場景中并不適用，所以在諸多應用場景中仍需要分立GaN器件及相應的驅動電路。對此，納芯微針對E-mode GaN開發專用驅動芯片NSD2622N，致力于為高壓大功率場景下的GaN應用，提供高性能、高可靠性且具備成本競爭力的驅動解決方案。 產品特性 NSD2622N是一款專為E-mode GaN設計的高壓半橋驅動芯片，該芯片內部集成了電壓調節電路，可以生成5V~6.5V可配置的穩定正壓，從而實現對GaN器件的可靠驅動；內部還集成了電荷泵電路，可以生成-2.5V的固定負壓用于GaN可靠關斷。該芯片由于將正負電源穩壓電路集成到內部，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，高邊驅動可以支持-700V到+700V耐壓，最低可承受200V/ns的SW電壓變化速率，同時高低邊輸出具有低傳輸延時和較小的傳輸延時匹配特性，完全滿足GaN高頻、高速開關的需求。此外，NSD2622N高低邊輸出均能提供2A/-4A峰值驅動電流，足以應對各類GaN應用對驅動速度的要求，并且可用于GaN并聯使用場景。NSD2622N內部還集成一顆5V固定輸出的LDO，可以為數字隔離器等電路供電，以用于需要隔離的應用場景。 NSD2622N詳細參數： • 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可調輸出正壓 • -2.5V內置輸出負壓 • 2A/4A峰值驅動電流 • 典型值10ns最小輸入脈寬 • 典型值38ns輸入輸出傳輸延時 • 典型值5ns脈寬畸變 • 典型值6.5ns上升時間（1nF 負載） • 典型值6.5ns下降時間（1nF 負載） • 典型值20ns內置死區 • 高邊輸出支持自舉供電 • 內置LDO固定5V輸出用于數字隔離器供電 • 具備欠壓保護、過溫保護 • 工作環境溫度范圍：-40℃~125℃
NSD2622N功能框圖 告別誤導通風險，提供更穩定的驅動電壓 相較于普通的Si MOSFET驅動方案，E-mode GaN驅動電路設計的最大痛點是需要提供適當幅值且穩定可靠的正負壓偏置。這是因為E-mode GaN驅動導通電壓一般在5V~6V，而導通閾值相對較低僅1V左右，在高溫下甚至更低，往往需要負壓關斷以避免誤導通。為了給E-mode GaN提供合適的正負壓偏置，一般有阻容分壓和直驅兩種驅動方案： 1.阻容分壓驅動方案 這種驅動方案可以采用普通的Si MOSFET驅動芯片，如圖所示，當驅動開通時，圖中Cc與Ra并聯后和Rb串聯，將驅動供電電壓（如10V）進行分壓后，為GaN柵極提供6V驅動導通電壓，Dz1起到鉗位正壓的作用；當驅動關斷時，Cc電容放電為GaN柵極提供關斷負壓，Dz2起到鉗位負壓的作用。
阻容分壓驅動方案 以上阻容分壓電路盡管對驅動芯片要求不高，但由于驅動回路元器件數量較多，容易引入額外寄生電感，會影響GaN在高頻下的開關性能。此外，由于阻容分壓電路的關斷負壓來自于電容Cc放電，關斷負壓并不可靠。 如以下半橋demo板實測波形所示，在啟機階段（圖中T1）由于電容Cc還沒有充電，負壓無法建立，所以此時是零壓關斷；在驅動芯片發波后的負壓關斷期間（圖中T2），負壓幅值隨電容放電波動；在長時間關斷時（圖中T3），電容負壓無法維持，逐漸放電到零伏。因此，阻容分壓電路往往用于對可靠性要求相對較低的中小功率電源應用，對于大功率電源系統并不適用。
E-mdoe GaN采用阻容分壓驅動電路波形 （CH2為驅動供電，CH3為GaN柵源電壓） 2.直驅式驅動方案 直驅式驅動方案首先需要選取合適欠壓點的驅動芯片，如NSI6602VD，專為驅動E-mode GaN設計了4V UVLO閾值，再配合外部正負電源穩壓電路，就可以直接驅動E-mode GaN，以下為典型應用電路：
NSI6602VD驅動電路
正負電源穩壓電路 這種直驅式驅動電路在輔助電源正常工作時，各種工況下都可以為GaN提供可靠的關斷負壓，因此被廣泛使用在各類高壓大功率GaN應用場景。 納芯微開發的新一代GaN驅動NSD2622N則直接將正負穩壓電源集成在芯片內部，如以下半橋demo板實測波形所示，NSD2622N關斷負壓的幅值、維持時間不受工況影響，在啟機階段（圖中T1）驅動發波前負壓即建立起來；在GaN關斷期間（圖中T2），負壓幅值穩定；在驅動芯片長時間不發波時（圖中T3），負壓仍然穩定可靠。
E-mode GaN采用NSD2622N驅動電路波形 （CH2為低邊GaN Vds，CH3為低邊GaN Vgs） 簡化電路設計，降低系統成本 NSD2622N不僅可以通過直驅方式穩定、可靠驅動GaN，最為重要的是，NSD2622N通過內部集成正負穩壓電源，顯著減少了外圍電路元器件數量，并且采用自舉供電方式，極大簡化了驅動芯片的供電電路設計并降低系統成本。 以3kW PSU為例，假設兩相交錯TTP PFC和全橋LLC均采用GaN器件，對兩種直驅電路方案的復雜度進行對比： 如果采用NSI6602VD驅動方案，需要配合相應的隔離電源電路與正負電源穩壓電路，意味著每一路半橋的高邊驅動都需要一路獨立的隔離供電，所以隔離輔助電源的設計較為復雜。鑒于GaN驅動對供電質量要求較高，且PFC和LLC的主功率回路通常分別放置在獨立板卡上，因此，往往需要采用兩級輔助電源架構，第一級使用寬輸入電壓范圍的器件如flyback生成穩壓軌，第二級可以采用開環全橋拓撲提供隔離電源，并進一步穩壓生成NSI6602VD所需的正負供電電源，以下為典型供電架構：
NSI6602VD驅動方案典型供電架構 如果采用NSD2622N驅動方案，則可以直接通過自舉供電的方式來簡化輔助電源設計，以下為典型供電架構：
NSD2622N驅動方案典型供電架構 將以上兩種GaN直驅方案的驅動及供電電路BOM進行對比并匯總在下表，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量，并降低系統成本；即使采用隔離供電方式，NSD2622N由于內部集成正負穩壓電源，相比NSI6602VD外圍電路更簡化，因此整體元器件數量也更少，系統成本更低。
GaN直驅方案的驅動及供電電路BOM對比 適配多種類型GaN，驅動電壓靈活調節 納芯微開發的E-mode GaN驅動芯片NSD2622N，不僅性能強大，還能夠適配不同品牌、不同類型（例如電壓型和電流型）以及不同耐壓等級的GaN器件。舉例來說，NSD2622N的輸出電壓通過反饋電阻可以設定5V~6.5V的驅動電壓。這樣一來，在搭配不同品牌的GaN時，僅僅通過調節反饋電阻就可以根據GaN特性設定最合適的驅動電壓，使不同品牌的GaN都能工作在最優效率點。 除此之外，NSD2622N具備最低200V/ns的SW節點dv/dt抑制能力，提升了GaN開關速度上限；采用更為緊湊的QFN封裝以及提供獨立的開通、關斷輸出引腳，從而進一步減小驅動回路并降低寄生電感；提供過溫保護功能，使GaN應用更安全。 納芯微還可提供單通道GaN驅動芯片NSD2012N，采用3mm*3mm QFN封裝，并增加了負壓調節功能，從而滿足更多個性化應用需求。 |
