ゲートゾーベルとスナバ回路の設計

ゲートゾーベルはゲートとドレイン間のスナバ回路なので、
スナバ回路の設計をいろいろ検索してみたところ、
アプリケーションノートがたくさん見つかりました。

AN11160 Designing RC snubbers
Switcher Efficiency & Snubber Design
AN-4147 Design Guidelines for RCD Snubber of Flyback Converters
アプリケーションノート3835 CCFLプッシュ/プルスナバ回路
パワースイッチ向けの抵抗器-コンデンサ(RC)スナバ設計
高速DC/DCコンバータのスイッチノードで発生するリンギングの抑制 Part 3/4

AN11160によると、

まず共振周波数を測定し、

次に寄生容量を測定して、

寄生インダクタンスを計算します。

あとは臨界制動になるようにスナバ回路の

容量値と抵抗値を決めれば良いようです。

ゲートストッパーとトップおよびボトムのゲートゾーベルが干渉するので、

一度、ゲートストッパーとゲートゾーベルを取り除いてから、

20kHzの矩形波応答で測定を行いました。

また、容量を追加して発振周波数を測定するときは、

トップまたはボトムのMOSFETそれぞれ独立に容量を追加して測定した方が良いようです。

 

かなり試行錯誤が必要ですが、

シミュレーションで測定したところ以下の値を得ました。
共振周波数(fring0): 16.4MHz
10pF(Cadd)を追加した時の共振周波数(fring1): 14.1MHz
寄生容量(Clk): 28.5pF
寄生インダクタンス(Llk): 3.30uH

スナバ抵抗(Rs):170Ω -> 180Ω

スナバ容量(Cs):57pF -> 56pF

ゲートストッパーは68Ωでよいようです。

 

以前のルールオブサムのゲートゾーベルの値(Rs=47Ω, Cs=100pF, Fc=33.9MHz)にくらべて、

シミュレーションによる理論値(Rs=180Ω, Cs=56pF, Fc=15.8MHz)は、

カットオフ周波数(Fc)がおよそ半分になっているので、

ゲートストッパーが100Ωから68Ωで済むため、

GaN MOSFETをより高速でドライブできるようです。

 

Gate Zobelの最適化

GaN MOSFETアンプのトップとボトムの出力電流のボーデ線図が揃わない

原因をいろいろ追求していたところ、

どうやらゲートゾーベルが影響しているようです。

左が最適化前(100pF/100pF)、

右が最適化後(82pF/8pF)の、

トップ(緑:I(R20))・ボトム(青I(R21))出力電流の

ゲイン(実線:左目盛り)と位相(破線:右目盛り)です。

 

最適化前は、トップの電流の位相が200kHzで反転していて、

ゲインも深いディップになっています。
また、ボトムの電流の位相とゲインも200kHzで急激にロールオフしていて、

あまり余裕がありません。

 

最適化後は、トップとボトムの位相とゲインが共になだらかになって、

ボトムも4MHz程度まで位相余裕が伸びています。

 

8Ω負荷時のTHD-20は、

0.002306%から0.002197%に改善しました。

GaN MOSFETアンプの発振対策

GaN MOSFETアンプの設計で、

SPICEシミュレーションを用いて、

ganampascgz

周波数応答、

ganamp_fr

矩形波応答、

ganamp_pr

静止バイアス電流、

正弦波応答を観察しながら

パラメータを詰めた結果をまとめておきます。

 

まず、GaN MOSFET(TPH3205B)に限らず、

入力容量が1000pFを越えるようなMOSFETをパワー段に用いると

ゲート電圧に寄生発振が起きるのが普通です。

 

今回は47Ω+100pFのゲートゾーベル(Gate Zobel)をゲートとドレイン間に設定して

100Ωのゲートストッパーでも抑制できない寄生発振を抑えています。

 

また、オペアンプ(LT1360)のI/V変換により電源ピンでゲートをドライブしていますが、

ゲイン余裕と位相余裕を得るためにフィードバック抵抗の値を3.3KΩから1.5KΩに下げています。

この値でも、1V, 20KHzの正弦波でのTHDが0.0058%となっています。

 

もちろん、基本的な対策として、

ドライバ段のBJT(2SC4883A, 2SA1859A)のベースストッパー(33Ω)と

パワー段のMOSFETのゲートストッパー(100Ω)は、最初から入れてあります。

 

一方、自動バイアス(LT1166)の

バイアス電流の検出抵抗値(0.1Ω+0.1Ω)と

電流制限の検出抵抗値(0.1Ω)を個別に設定し、

パワー段のMOSFETの

静止バイアス電流が100mA、

電流制限が13Aに設定しています。

 

また、ドライバ段の静止バイアス電流は、

100Ωのコレクタ抵抗と100Ωのエミッタ抵抗による

エミッタディジェネレーションで、27mAになっています。

MOSFETを高速でターンオフするためには、

ゲート容量を短時間で抜く必要がありますが、

その時間はこのドライバ段の静止バイアス電流で決まります。

 

駆動能力の確認として、

スピーカー相当の抵抗負荷を8Ωから2Ωまで下げてみても、

大きな貫通電流は生じず、1Ωから0Ωにした場合でも

ゲート電圧が18Vを越えないのでロバスト性も十分なようです。