近日，集成電路學(xué)院童喬凌教授和閔閏副教授團(tuán)隊(duì)在功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的最新研究成果以“An Adaptive Three-stage GaN Gate Driver with Peak Miller Plateau Voltage Tracking and Voltage Tailing Suppression For 36.4% Switching Loss Reduction”為題，被集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC)接收。
隨著數(shù)據(jù)中心、AI服務(wù)器及便攜設(shè)備對(duì)電源功率密度要求日益提高，GaN功率器件因開(kāi)關(guān)速度快、體積小等優(yōu)勢(shì)成為高頻電源核心。然而，傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案存在兩大瓶頸：1、米勒平臺(tái)階段啟動(dòng)延遲：初始電壓變化率(dv/dt)過(guò)低，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加；2、電壓拖尾效應(yīng)：開(kāi)關(guān)末期dv/dt驟降，延長(zhǎng)電壓電流重疊時(shí)間。
針對(duì)GaN功率器件驅(qū)動(dòng)瓶頸，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款自適應(yīng)三段式有源門極驅(qū)動(dòng)芯片，為高密度電源系統(tǒng)能效提升提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
圖1驅(qū)動(dòng)芯片架構(gòu)
圖2(a)芯片照片(b)雙脈沖測(cè)試結(jié)果
該芯片采用了三大創(chuàng)新設(shè)計(jì)：1、三段動(dòng)態(tài)電流控制：在米勒平臺(tái)期智能切換驅(qū)動(dòng)電流，使dv/dt近乎恒定；2、米勒平臺(tái)跨周期追蹤技術(shù)：實(shí)時(shí)追蹤米勒平臺(tái)峰值電壓，動(dòng)態(tài)優(yōu)化電流切換點(diǎn)，解決負(fù)載波動(dòng)導(dǎo)致的啟動(dòng)延遲問(wèn)題(降低慢啟動(dòng)損耗46.1%)；3、快速拖尾抑制技術(shù)：基于柵極電壓突降檢測(cè)電壓拖尾起始點(diǎn)，精準(zhǔn)觸發(fā)大電流加速關(guān)斷(降低拖尾損耗88.7%)。
芯片基于0.18μm BCD工藝制造。在400V/15A嚴(yán)苛測(cè)試中，dv/dt峰值在全開(kāi)關(guān)過(guò)程中保持在45V/ns，單次開(kāi)關(guān)損耗從114.8μJ降至73.0μJ。這是已報(bào)道GaN驅(qū)動(dòng)芯片的最高能效紀(jì)錄。
集成電路學(xué)院童喬凌教授和閔閏副教授主要從事高功率密度電源專用芯片技術(shù)研究，共主持國(guó)家級(jí)縱向項(xiàng)目11項(xiàng)，主持企業(yè)橫向項(xiàng)目40余項(xiàng)。近五年發(fā)表中科院一區(qū)期刊論文20余篇(JSSC、TPEL、TIE、TII等)。設(shè)計(jì)的SiC驅(qū)動(dòng)與脈沖電源被用于“天琴一號(hào)”型號(hào)任務(wù)，助力我國(guó)掌握“無(wú)拖曳控制”(世界唯二)。設(shè)計(jì)的車規(guī)級(jí)高邊開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)芯片先后通過(guò)AEC Q-100可靠性測(cè)試和冬季路測(cè)，在東風(fēng)汽車量產(chǎn)裝車(猛士、風(fēng)神、奕派)
