A high-voltage multi-purpose on-the-fly reconfigurable half-bridge gate driver for GaN HEMTs in 0.18-μm HV SOI CMOS technology

Ly, Nam (2020). A high-voltage multi-purpose on-the-fly reconfigurable half-bridge gate driver for GaN HEMTs in 0.18-μm HV SOI CMOS technology. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Nowadays, the use of Gallium Nitride (GaN) power transistors in power electronics is common, due to higher switching speeds, lower on-resistance and smaller size compared to silicon counterparts. With superior figures of merit, power converters utilizing GaN devices can operate at high switching frequencies, which translates into smaller size, higher efficiency and lower system cost. Redundancy and reconfigurability are highly desirable for safety-critical applications such as automotive and aerospace systems that operate under harsh conditions and require a high degree of flexibility together with high reliability. This thesis presents a gate driver for such a reconfigurable power system.

Intended to be the core design of a programmable and flexible high-voltage (HV) power system, the gate driver in this work is capable of driving a wide range of GaN devices with different sizes by having independently configurable turn-on and turn-off resistance paths. This feature eliminates the need for discrete gate resistors and allows for higher density designs, such as System-in Package integration (SiP) where the gate drivers, GaN devices and other control integrated circuits are placed on the same interposer. Reconfigurable driving strength also allows for electromagnetic interference (EMI) reduction, which is important in safetycritical applications. A uniform structure of half-bridge switching units is proposed, enabling reconfigurability in the operation of the system with a variety of possible topologies, out of a large array of switching cells. The gate driver requires a built-in 200-V level shifter, with common-mode noise cancellation technique, thoroughly investigated and migrated to HV SOI technology, which is immune against a 80-V/ns slew rate of fast switching GaN devices despite excessive parasitics in the process and the packaging technique employed. The gate driver has a configurable dead-time ranging from 5 ns to 60 ns that minimizes loss due to so-called “body diode” conduction of the GaN FETs during freewheeling for different load profiles. All the configurations are set via shift registers.

The gate driver has been fabricated in a 200-V 0.18-μm silicon-on-insulator (SOI) process (XFAB XT018). Measurement results show that the chip can drive targeted GaN HEMTs from smallest to largest size at the desired turn-on and turn-off speeds, as fast as 1.46/1.18 ns of rise/fall-time. The measured dead-time is from 4.5 ns to 58 ns with an input voltage up to 86 V. The parameters can be reconfigured on-the-fly at a pulse width modulation switching frequency up to 20 MHz. This work contributes to the advancement of universal gate driver design, especially for GaN transistors, and toward reconfigurable power systems.

Titre traduit

Pilote de grille pour dispositifs GaN à demi-pont reconfigurable à usages multiples de haute tension en technologie SOI CMOS HT 0.18-μm

Résumé traduit

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 souhaitées. Une vitesse de 1,46 / 1,18 ns de temps de montée / descente est atteinte. Le temps mort mesuré est de 4,5 ns à 58 ns avec une tension d’entrée jusqu’à 86 V. Ces paramètres peuvent être reconfigurés à-chaud (on-the-fly) pendant que le circuit est en train de commuter à une fréquence jusqu’à 20 MHz. Ce travail contribue à l’avancement de la conception de pilotes de grille universels, en particulier pour les transistors GaN, et aux systèmes de puissance reconfigurables.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 85-90).
Mots-clés libres:	aérospatiale, CMOS, décalage de niveau, demi-pont, GaN, pilote de grille, reconfigurable
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Constantin, Nicolas
Codirecteur:	Codirecteur Cowan, Glenn
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	06 nov. 2020 19:48
Dernière modification:	06 nov. 2020 19:48
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2572

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