GaN 器件的直接驅動配置

受益于集成器件保護，直接驅動GaN器件可實現(xiàn)更高的開關電源效率和更佳的系統(tǒng)級可靠性。

高電壓（600V）氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）的開關特性可實現(xiàn)提高開關模式電源效率和密度的新型拓撲。GaN具有低寄生電容（Ciss、Coss、Crss）和無第三象限反向恢復的特點。這些特性可實現(xiàn)諸如圖騰柱無橋功率因數(shù)控制器（PFC）等較高頻率的硬開關拓撲。由于它們的高開關損耗，MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）實現(xiàn)此類拓撲。本文中，我們將重點介紹直接驅動GaN晶體管的優(yōu)點，包括更低的開關損耗、更佳的壓擺率控制和改進的器件保護。

圖1：共源共柵驅動和直接驅動配置。

簡介

在設計開關模式電源時，主要品質因數(shù)（FOM）包括成本、尺寸和效率。[1]這三個FOM 是耦合型，需要考慮諸多因素。例如，增加開關頻率可減小磁性元件的尺寸和成本，但會增加磁性元件的損耗和功率器件中的開關損耗。由于GaN 的寄生電容低且沒有二極管反向恢復，因此與MOSFET 和IGBT 相比，GaN HEMT 具有顯著降低損耗的潛力。

通常來講，MOSFET/IGBT驅動提供合適的導通和關斷電流，以支持輸入電容。驅動輸出和設備柵極之間的外部電阻控制壓擺率，并抑制功率和柵極環(huán)路振鈴。隨著GaN壓擺率增加，外部組件增加了過多的寄生電感，無法控制開關。將驅動與GaN器件集成到封裝中可最大程度降低寄生電感、降低開關損耗并優(yōu)化驅動控制。

圖2：硬切換操作導致過多振鈴。

直接驅動優(yōu)點

漏端和漏端之間的GaN中存在本征二維電子氣層（2-DEG），使該器件在零柵極-漏端電壓下導電。出于安全原因，沒有偏置電源時，必須關閉開關電源中使用的電源器件，以將輸入與輸出斷開。為模擬增強模式器件，將低壓MOSFET與GaN源端串聯(lián)放置。圖1所示為實現(xiàn)此目的的兩種不同配置：共源共柵驅動和直接驅動。

現(xiàn)在，我們將對比功耗，并描述與每種方法相關的警告所涉及的問題。

在共源共柵配置中，GaN 柵極接地，MOSFET 柵極被驅動，以控制GaN 器件。由于MOSFET 是硅器件，因此許多柵極驅動可用。但由于在GaN 器件關閉之前必須將GaN 柵極至漏端電容（Cgs）和MOSFET Coss 充電至GaN 閾值電壓，因此該配置具有較高的組合Coss。

在直接驅動配置中，MOSFET 是一個直接驅動配置，由柵極驅動器在接地和負電壓（VNEG）之間驅動的GaN 柵極導通/關斷組合器件。此外，MOSFET Coss 無需充電。關斷GaN Cgs 的電流來自較低的偏壓電源。較低的電源電壓可提供相同的GaN 柵極至漏端電荷（Qgs），從而可降低功耗。這些功率效率差異在更高的開關頻率下會進一步放大。

反向恢復Qrr 損失對于共源共柵配置有效。這是因為在第三象限導通中，MOSFET 關斷，并通過體二極管導通。由于負載電流反向流動，因此MOSFET 中存儲了電荷。克服反向恢復電荷的電流來自高電壓電源，這會導致大量電損失。但在直接驅動配置中，MOSFET 始終處于導通狀態(tài)，且由于其RDSON 低，其寄生二極管也不會導通。因此，最終在直接驅動配置中不會出現(xiàn)與Qrr 相關的功率損耗。

在共源共柵配置中，由于GaN 漏源電容高（Cds）[2，3]，處于關斷模式的GaN 和MOSFET 之間的電壓分布會導致MOSFET雪崩?？稍贛OSFET 的漏端和漏端之間并聯(lián)一個電容器^[4]予以解決。但這僅適用于軟開關應用，并在硬開關應用中導致高功率損耗。

鑒于GaN 柵極已連至MOSFET 的漏端，因此無法控制共源共柵驅動中的開關壓擺率。在硬開關操作中，來自GaN Cgs、MOSFET Coss、MOSFET Qrr 的有效Coss 的增加，以及由于防止MOSFET 崩潰而可能產生的一些電流導通，可能會在初始充電期間導致較高的漏端電流。較高的漏端電流會導致共源共柵驅動中的較高功率損耗。

在MOSFET 的漏端充電至足以關閉GaN 器件的程度后，從漏端觀察到Coss 突然下降——加上流經功率環(huán)路電感的漏端電流較高——導致共源共柵中開關節(jié)點的過度振鈴組態(tài)。硬開關事件期間的開關波形如圖2 所示（橙色軌線=共源共柵驅動；藍色跡線=直接驅動）。在此模擬中，即使直接驅動配置的壓擺率較低且振鈴較少（直接驅動在50 V/ns 時為4.2W，而共源共柵驅動在150 V/ns 時為4.6 W，所有負載電流均為5A），直接驅動配置每次硬開關耗散的能量卻更少。

另一方面，直接驅動配置在開關操作期間直接驅動GaN 器件的柵極。無偏置電源時，MOSFET 柵極被拉至接地，并以與共源共柵配置相同的方式關閉GaN 器件。一旦存在偏置電源，MOSFET 保持導通狀態(tài)，其寄生電容和體二極管從電路中移出。直接驅動GaN 柵極的優(yōu)點在于可通過設置對GaN 柵極充電的電流來控制壓擺率。

(1)

對于升壓轉換器，驅動電路的簡易模型如圖3 所示?？墒褂迷撃Ｐ屯茖Ч絒1]。

等式1 證明：當GaN 器件具有足夠的柵漏電容（Cgd）時，可通過使用柵極電流通過米勒反饋來控制開關事件的壓擺率。對于低Cgd 器件，將丟失反饋，且器件的跨導（gm）控制壓擺率。

直接驅動配置的另一個優(yōu)點在于可在柵極環(huán)路中增加阻抗，以抑制其寄生諧振。抑制柵極環(huán)路還可減少電源環(huán)路中的振鈴。這降低了GaN 器件上的電壓應力，并減少了硬開關期間的電磁干擾（EMI）問題。

圖2 是一個模擬圖，顯示以功率和柵極環(huán)路寄生電感為模型的降壓轉換器中開關節(jié)點振鈴的差異。直接驅動配置具有受控的導通，且過沖很少。而共源共柵驅動由于較高的初始Coss、Qrr 和較低的柵極環(huán)路阻抗而具有較大的振鈴和硬開關損耗。

圖3：直接驅動配置的驅動路徑模型。