A High Voltage Multi-Purpose On-the-fly Reconfigurable Half-Bridge Gate Driver for GaN HEMTs in 0.18-μm HV SOI CMOS Technology

Abstract

En raison de vitesses de commutation plus élevées, de faible résistance à l'état passant et de taille miniaturisée en comparaison avec des contreparties en silicium, l'utilisation de transistors de puissance à base de nitrure de gallium (GaN) est de plus en plus courante dans les circuits de puissances modernes. Avec des figures de mérite supérieures, les convertisseurs de puissance utilisant des dispositifs GaN peuvent fonctionner à des fréquences de commutation élevées. Cela se traduit par des dimensions plus petites, une efficacité supérieure et une réduction du coût du système. La redondance et la reconfigurabilité sont souhaitables dans les applications critiques pour la sécurité telles que les systèmes automobiles et aérospatiaux. Ces derniers fonctionnent dans des conditions difficiles nécessitant un niveau élevé de flexibilité et une grande fiabilité. Ce mémoire présente un circuit de pilotage de grille pour un tel système d'alimentation reconfigurable. Destiné à être au coeur d'un système d'alimentation haute tension (HT) programmable et flexible, le pilote de grille présenté dans ce travail est capable de commander une large gamme de dispositifs GaN de différentes tailles. Cela est accompli en ayant un mécanisme configurable de vitesse de mis-à-on et mis-à-off. Cette fonctionnalité élimine le besoin de résistances de grille discrètes. Elle permet donc des conceptions de circuits plus denses, telles que l'intégration de système dans un boîtier (SiP-system-in-package). Dans un tel système les pilotes de grille, les dispositifs GaN et d'autres circuits intégrés de commande sont placés sur le même interposeur. La vitesse configurable de mis-à-on et de mis-à-off reconfigurable permet également de réduire les interférences électromagnétiques (EMI). Cela est important dans les applications critiques pour la sécurité. Une structure uniforme d'unités de commutation en demi-pont est proposée. Cette dernière permet une reconfigurabilité du fonctionnement du système avec une variété de topologies possibles à l'aide d'un grand nombre de cellules de commutation. Le pilote de grille exige un circuit de décalage de niveau de 200 V intégré. Ce circuit utilise une technique d'annulation de bruit en mode commun, ayant fait l'objet d'une étude approfondie. En utilisant cette technique dans une technologie HT SOI (silicium sur isolant), une immunité à une variation de bruit (CMTI) de 80 V/ns est obtenue. Le pilote de grille a un temps mort configurable allant de 5 ns à 60 ns. Ce temps mort configurable minimise les pertes dues à la conduction par mécanisme de «diode de corps» des transistors GaN pendant la période de conduction en roue libre pour différents profils de charge. Toutes les configurations sont programmées à travers un registre à décalage. Le circuit de pilotage de grille a été fabriqué avec le procédé SOI de 200-V 0,18-μm (XFAB XT018). Les résultats expérimentaux montrent que la puce peut piloter les transistors GaN ciblés de la plus petite à la plus grande taille aux vitesses de mis-à-on et mis-à-off souhaitée...

Compact and Low-Power Under-Voltage Lockout and Thermal-Shutdown Protection Circuits Using a Novel Low-Iq All-in-One Bandgap Comparator

“…The proposed UVLO/TSD circuits based on BGRCOMP are targeted for the use in the design of gate drivers, such as in [17][18]. The trip-point specifications of the UVLO and TSD circuits are set at 4.4 V/4.2 V (hysteresis window ΔVTH = 200 mV) and 90°C/70°C (hysteresis window ΔT = 20°C), respectively.…”

Towards an LTCC SiP for Control System in Safety-Critical Applications

“…A configurable gate driver (CGD) designed in XFAB's XT018 process [18] drives power GaN devices. It is at the core of the configurable power block array.…”

SHEPWM Class-D Amplifier with a Reconfigurable Gate Driver Integrated Circuit

“…Class-D amplifiers (CDAs) are very attractive in low power applications such as audio applications due to their small size and high efficiency compared to traditional analog linear amplifiers. Recent advances in GaN power devices enable CDAs to operate at higher switching frequency thereby reducing the filter size [1]- [3]. However, in applications where low output currents are drawn from high power supply voltages, the switching losses of power devices dominate over conduction losses.…”

“…However, parasitic inductances and capacitances in the stray path and device package increase the overshoot voltage at the gate of power devices in a short rising time, which poses a risk for device breakdown and electromagnetic interference (EMI) generation [6]. Therefore, the SHEPWM CDA used a reconfigurable gate driver integrated circuit (IC) from [3] to adjust the gate driver's driving strength to control the rising/falling time of both gate and switching node voltages. While the effect of dead-time on the harmonic distortion of pulse width modulation (PWM) is extensively studied before [7]- [9], the relationship between different driving strength and total harmonic distortion (THD) of SHEPWM CDA has not been reported in the literature.…”