納芯微發(fā)布專為增強型GaN設(shè)計的高壓半橋驅(qū)動芯片NSD2622N，該芯片集成正負壓穩(wěn)壓電路，支持自舉供電，具備高dv/dt抗擾能力和強驅(qū)動能力，可以顯著簡化GaN驅(qū)動電路設(shè)計，提升系統(tǒng)可靠性并降低系統(tǒng)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(guān)頻率、低開關(guān)損耗的顯著優(yōu)勢，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(OBC)等高壓大功率領(lǐng)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(zhàn)。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(guān)工作模式下，如果驅(qū)動電路設(shè)計不當，高頻、高速開關(guān)過程中極易因串擾而導致誤導通現(xiàn)象。與此同時，適配的驅(qū)動電路設(shè)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(nèi)外頭部GaN廠家近年來推出了一些集成驅(qū)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(qū)動電路的設(shè)計難度。但集成驅(qū)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(chǎn)品設(shè)計的需求；另一方面，在多管并聯(lián)、雙向開關(guān)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(qū)動電路。對此，納芯微針對E-mode GaN開發(fā)專用驅(qū)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(qū)動解決方案。

產(chǎn)品特性

NSD2622N是一款專為E-mode GaN設(shè)計的高壓半橋驅(qū)動芯片，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，從而實現(xiàn)對GaN器件的可靠驅(qū)動；內(nèi)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(guān)斷。該芯片由于將正負電源穩(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(guān)的需求。此外，NSD2622N高低邊輸出均能提供2A/-4A峰值驅(qū)動電流，足以應對各類GaN應用對驅(qū)動速度的要求，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用場景。

NSD2622N詳細參數(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)置輸出負壓
• 2A/4A峰值驅(qū)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(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、過溫保護
• 工作環(huán)境溫度范圍：-40℃~125℃

NSD2622N功能框圖

告別誤導通風險，提供更穩(wěn)定的驅(qū)動電壓
相較于普通的Si MOSFET驅(qū)動方案，E-mode GaN驅(qū)動電路設(shè)計的最大痛點是需要提供適當幅值且穩(wěn)定可靠的正負壓偏置。這是因為E-mode GaN驅(qū)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(guān)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(qū)兩種驅(qū)動方案：

1.阻容分壓驅(qū)動方案

這種驅(qū)動方案可以采用普通的Si MOSFET驅(qū)動芯片，如圖所示，當驅(qū)動開通時，圖中Cc與Ra并聯(lián)后和Rb串聯(lián)，將驅(qū)動供電電壓（如10V）進行分壓后，為GaN柵極提供6V驅(qū)動導通電壓，Dz1起到鉗位正壓的作用；當驅(qū)動關(guān)斷時，Cc電容放電為GaN柵極提供關(guān)斷負壓，Dz2起到鉗位負壓的作用。

阻容分壓驅(qū)動方案

以上阻容分壓電路盡管對驅(qū)動芯片要求不高，但由于驅(qū)動回路元器件數(shù)量較多，容易引入額外寄生電感，會影響GaN在高頻下的開關(guān)性能。此外，由于阻容分壓電路的關(guān)斷負壓來自于電容Cc放電，關(guān)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(guān)斷；在驅(qū)動芯片發(fā)波后的負壓關(guān)斷期間（圖中T2），負壓幅值隨電容放電波動；在長時間關(guān)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(tǒng)并不適用。

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

2.直驅(qū)式驅(qū)動方案

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

NSI6602VD驅(qū)動電路

正負電源穩(wěn)壓電路

這種直驅(qū)式驅(qū)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(guān)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(fā)的新一代GaN驅(qū)動NSD2622N則直接將正負穩(wěn)壓電源集成在芯片內(nèi)部，如以下半橋demo板實測波形所示，NSD2622N關(guān)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(qū)動發(fā)波前負壓即建立起來；在GaN關(guān)斷期間（圖中T2），負壓幅值穩(wěn)定；在驅(qū)動芯片長時間不發(fā)波時（圖中T3），負壓仍然穩(wěn)定可靠。

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

簡化電路設(shè)計，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GaN，最為重要的是，NSD2622N通過內(nèi)部集成正負穩(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)動芯片的供電電路設(shè)計并降低系統(tǒng)成本。

以3kW PSU為例，假設(shè)兩相交錯TTP PFC和全橋LLC均采用GaN器件，對兩種直驅(qū)電路方案的復雜度進行對比：

如果采用NSI6602VD驅(qū)動方案，需要配合相應的隔離電源電路與正負電源穩(wěn)壓電路，意味著每一路半橋的高邊驅(qū)動都需要一路獨立的隔離供電，所以隔離輔助電源的設(shè)計較為復雜。鑒于GaN驅(qū)動對供電質(zhì)量要求較高，且PFC和LLC的主功率回路通常分別放置在獨立板卡上，因此，往往需要采用兩級輔助電源架構(gòu)，第一級使用寬輸入電壓范圍的器件如flyback生成穩(wěn)壓軌，第二級可以采用開環(huán)全橋拓撲提供隔離電源，并進一步穩(wěn)壓生成NSI6602VD所需的正負供電電源，以下為典型供電架構(gòu)：

NSI6602VD驅(qū)動方案典型供電架構(gòu)

如果采用NSD2622N驅(qū)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(shè)計，以下為典型供電架構(gòu)：

NSD2622N驅(qū)動方案典型供電架構(gòu)

將以上兩種GaN直驅(qū)方案的驅(qū)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(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)動及供電電路BOM對比

適配多種類型GaN，驅(qū)動電壓靈活調(diào)節(jié)

納芯微開發(fā)的E-mode GaN驅(qū)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(shè)定5V~6.5V的驅(qū)動電壓。這樣一來，在搭配不同品牌的GaN時，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)動電壓，使不同品牌的GaN都能工作在最優(yōu)效率點。

除此之外，NSD2622N具備最低200V/ns的SW節(jié)點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封裝以及提供獨立的開通、關(guān)斷輸出引腳，從而進一步減小驅(qū)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(qū)動芯片NSD2012N，采用3mm*3mm QFN封裝，并增加了負壓調(diào)節(jié)功能，從而滿足更多個性化應用需求。