集成栅极驱动器的GaN ePower超快开关

氮化镓场效应晶体管在许多电力电子应用中持续获得关注，但氮化镓技术仍处于其生命周期的早期阶段【1】。虽然基本FET性能品质因数还有很大的提升空间，但GaN功率ic的发展是一条更有前途的道路。

现代GaN-on-silicon器件的横向FET结构有助于功率器件和信号器件的单片集成，集成GaN功率ic开始在商业上出现【2】、【3】。这种集成有望降低尺寸和成本，同时提高可靠性和性能。

本文举例说明了集成FET和栅极驱动器IC的优势。该IC主要用作间接飞行时间应用的激光驱动器，能够从40 V总线驱动10 A脉冲电流。该IC的输出上升和下降时间低于600 ps，开关10 A时，输出RDS（on）约为50mω。并且能够以超过100 MHz的频率切换。该IC属于可支持不同电源和逻辑系列输入的器件系列。该系列所有现有产品均采用相同的2×3 BGA芯片级封装（见图1），尺寸为1 mm × 1.5 mm。这种封装具有出色的热性能和极低的电感。

图EPC21601全集成GaN电源开关的IC照片（a）和框图（b）。

激光驱动器要求

激光雷达的激光驱动器是脉冲功率应用。图2显示了一个简化的激光驱动器。最初，开关Q1断开，C1充电至输入电压VIN。命令信号command使开关Q1通过激光二极管D1对C1全部或部分放电。电感L1代表C1D1Q1环路的杂散电感。现代激光雷达系统要求高电流和短转换的窄脉冲。简单来说，驱动越快，分辨率越好；电流越大，射程越远。根据激光雷达系统的不同，脉冲的宽度范围可以从1纳秒到100纳秒，从1安到100多安。

图2:激光驱动器的简化示意图

当今激光雷达行业主要有两种形式:直接飞行时间法（DTOF）和间接飞行时间法（ITOF）【4】。典型的DTOF激光雷达发送单个脉冲并对反射进行计时，以计算到目标的距离。ITOF激光雷达通过比较发射和反射脉冲序列的相位来工作。由于能够使用简化的接收器并因此实现更低的成本，ITOF激光雷达最近显示出巨大的增长。成像芯片是基于低成本CMOS相机成像技术开发的，该技术让成像芯片为每个像素提供距离信息。这又允许一次捕获整个帧的距离信息。这些有时被称为“闪光激光雷达”，因为它们使用激光作为闪光灯照亮场景。虽然硅激光驱动器已经完成了初步设计，但由于激光脉冲微弱且形状不佳，这些驱动器的射程较短，图像质量较差，帧速率较低。GaN FETs在这些设计中已被证明是有效的，它能够以经济高效的方式实现更高的电流和更快的脉冲以及更锐利的边沿。

便携式激光雷达系统的典型ITOF规格

ITOF激光雷达的大部分增长都是在中程范围内，从不到1米到几十米。这些系统从单点距离测量系统到百万像素TOF相机不等，但由于能够在一个探测周期内捕获宽视野，因此趋势倾向于多点和成像系统。这种趋势有利于一次照亮整个场景的光源，这是垂直腔面发射激光器（VCSELs）的天然选择。

单个VCSEL非常小，但由于它们从芯片表面发射，因此许多VCSEL可以集成在单个芯片上以增加光输出。对于小型便携式系统，典型的脉冲电流要求范围为2-10 A .虽然单个VCSEL在低电流下的压降很小，但在较高电流下，等效串联电阻可能会导致显著的压降。VCSELs的串联会进一步增加电压降。由于增加了电感，通常用于连接VCSEL的丝焊会产生额外的压降。如今，VCSEL的压降范围可以从3 V到30 V，许多应用需要≥ 10 V .在突发模式下工作时，脉冲频率可以从几MHz到100 MHz以上。

图3: ITOF操作概述图。

由于ITOF成像仪使用相位差检测，波形的形状很重要。矩形脉冲的使用大大简化了相位检测，并具有使用开关作为调制器的额外好处。这简化了激光驱动器，并大大降低了系统总功率要求。总而言之，用于ITOF激光雷达系统的激光驱动器应该能够从高达30V的总线产生2至10 A脉冲，开关频率可能≥ 100 MHz，最小脉冲宽度为2 ns或更小。这是一个广泛的规格范围，通常的方法是为每个应用定制基于GaN的激光驱动器设计。对于硅基激光驱动器，这种设计空间的很大一部分完全遥不可及。

整合的好处

具有所需额定电流和电压的现代eGaN功率fet的上升和下降时间小于1 ns，因此可以轻松满足上述要求。事实上，单个0.81 mm2 eGaN FET（如通过汽车认证的EPC2203）可以满足上述整个设计空间。然而，这种fet的驱动要求与产生发射脉冲的数字子系统的输出不直接兼容，因为这些输出往往是3.3 V或更低的低电压逻辑，并且具有低驱动电流能力。因此，需要一个栅极驱动来将数字信号与FET接口。这是一个问题，因为很少有栅极驱动器能够驱动高达100 MHz及以上的eGaN FETs，同时保持快速上升和下降时间。少数具有所需驱动能力的驱动器消耗了不可接受的功率水平。此外，栅极驱动器和FET之间的物理距离会增加栅极环路的电感，从而进一步降低性能。最后，栅极驱动器占用空间（比FET更大），增加成本并降低可靠性。GaN技术实现了栅极驱动与主FET的集成，从而提高了性能、减少了器件数量并获得了所有附带优势。

表演

高效电源转换开发了一系列单芯片GaN IC激光驱动器，如图1所示。主要版本的主要初步规格如表1所示。

参数	情况	最低限度	名义上的	最高的
VD				40V
ID				10A
V直接伤害			5V	5.5V
V直接伤害		1.6V
V伊利诺伊				0.8V
脉冲宽度	10安20伏	2ns
传播延迟	10安20伏		3纳秒
最大切换 频率	10安20伏		100MHz
过渡时间	10安20伏		600皮秒
R在…上			41mΩ	54mΩ
I直接伤害	5A、20V， 30MHz		50mA

表I:25°c时EPC21601激光驱动器的主要规格。

该ic系列有三个成员:（1）2.5 V逻辑输入，向IC提供5V电源；（2）5V逻辑输入和12 V电源；以及（3）低压差分信号（LVDS）输入，使其能够在高噪声数字环境中直接由高速数字IC驱动。所有三种型号均采用相同的2×3 BGA芯片级封装，尺寸为1 mm × 1.5 mm，仅需要一个旁路电容。

图4显示了驱动2ω低电感负载代替激光器的一些典型波形。电源电压为20 V时，产生的电流脉冲幅度为10 A .图（4a）显示了单个脉冲。漏极电压vdrain下降时间t f测量导通时间，tr测量关断时间。在最大额定电流下，tf = 602 ps，tr = 306 ps。激光雷达发射器通常使用突发模式，原因之一是需要防止激光器过热。图（4b）显示了10个周期的100 MHz突发脉冲。IC可以在100 MHz和10A下连续工作，但突发模式工作是为了防止负载功耗过热。

图4:单脉冲波形（a）和100 MHz突发波形（b）。两种情况都使用2.5 V逻辑电平输入和20V电源，负载为2ω。黄色轨迹为输入（1 V/div），红色轨迹为漏极电压（5 V/div或2.5 A/div）

图5显示了驱动垂直腔面发射激光器（VCSEL）的一些典型波形。图（5a）显示了单个脉冲，图（5b）显示了10个周期的100 MHz突发脉冲。VCSEL封装包括一根焊线，会增加相当大的电感，导致漏极波形振铃和较慢的光输出上升时间。请注意，该电感和10 V转换导致的较高阻抗导致导通时间（下降时间tf）小于300 ps。

图5:驱动垂直腔面发射激光器（VCSEL）的波形。单脉冲波形（a）和100 MHz突发波形（b）。两种情况都使用2.5 V逻辑电平输入和10V电源，VCSEL负载。黄色轨迹为输入（1 V/div），红色轨迹为漏极电压（5 V/div），蓝色轨迹为光接收器输出（5 mV/div）。

下一步是什么？

这种新开发的集成电路还有其他几种潜在的应用。一种更传统的电力电子应用是一种微型升压转换器，用于只有5 V电源且需要额外更高电压的电路。事实上，这种转换器对于开发激光雷达应用中的激光驱动器总线电压非常有用。另一个潜在应用是小型E类或EFn逆变器【5】、【6】，或用于微型无线电源的转换器。有许多可能性，有了能够100 MHz切换的40 V、10 A逻辑控制电源开关，新应用和创意的大门就敞开了。

关于作者

约翰·格拉泽拥有亚利桑那大学电气和计算机工程博士和硕士学位以及伊利诺伊大学香槟分校电气和计算机工程学士学位。在他的职业生涯中，他获得了11项专利和2项出版物，专业领域包括高频功率转换、甚高频功率、宽带隙（WBG）氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）功率半导体应用、高密度功率转换、功率RF电路和应用。自2014年6月以来，他目前在EPC担任应用工程总监。

参考

A.Lidow，M. de Rooij，J. Strydom，D. Reusch和J. Glaser，《用于高效功率转换的GaN晶体管》，第3版。威利，2019年。

高效电源转换公司，“EPC2152数据表，版本1.3”2020年7月20日，访问时间:2020年10月3日。【在线】。可用:https://epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/ EPC 2152 _数据表。pdf

D.Kinzer和S. Oliver，“单芯片高压GaN功率ic:性能和应用”，IEEE电力电子。玛格。，第3卷，第3期，第14-21页，2016年9月，doi:10.1109/mpel . 2016 . 25885000001

C.Bruschini，P. Padmanabhan和E. Charbon，“激光雷达基础知识”，于2019年6月20日在德国林堡市SENSE探测器学校【在线】发表。可用:https://www . sense pro . org/images/outreach education/EPFL _激光雷达_SENSEworkshop_Jun2019_v3.pdf

Andrei Grebennikov和Nathan O. Sokal，开关模式RF功率放大器，第1版。爱思唯尔公司，2007年。【6】s . Kee，“E/F类谐波调谐开关功率放大器系列”，加州理工学院博士，2002年。

审核编辑 黄宇