GaN 器件的直接驅動(dòng)配置

受益于集成器件保護，直接驅動(dòng)GaN器件可實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)電源效率和更佳的系統級可靠性。

高電壓（600V）氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）的開(kāi)關(guān)特性可實(shí)現提高開(kāi)關(guān)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(wú)第三象限反向恢復的特點(diǎn)。這些特性可實(shí)現諸如圖騰柱無(wú)橋功率因數控制器（PFC）等較高頻率的硬開(kāi)關(guān)拓撲。由于它們的高開(kāi)關(guān)損耗，MOSFET和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）實(shí)現此類(lèi)拓撲。本文中，我們將重點(diǎn)介紹直接驅動(dòng)GaN晶體管的優(yōu)點(diǎn)，包括更低的開(kāi)關(guān)損耗、更佳的壓擺率控制和改進(jìn)的器件保護。

圖1：共源共柵驅動(dòng)和直接驅動(dòng)配置。

簡(jiǎn)介

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

通常來(lái)講，MOSFET/IGBT驅動(dòng)提供合適的導通和關(guān)斷電流，以支持輸入電容。驅動(dòng)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(zhù)GaN壓擺率增加，外部組件增加了過(guò)多的寄生電感，無(wú)法控制開(kāi)關(guān)。將驅動(dòng)與GaN器件集成到封裝中可最大程度降低寄生電感、降低開(kāi)關(guān)損耗并優(yōu)化驅動(dòng)控制。

圖2：硬切換操作導致過(guò)多振鈴。

直接驅動(dòng)優(yōu)點(diǎn)

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(méi)有偏置電源時(shí)，必須關(guān)閉開(kāi)關(guān)電源中使用的電源器件，以將輸入與輸出斷開(kāi)。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(shí)現此目的的兩種不同配置：共源共柵驅動(dòng)和直接驅動(dòng)。

現在，我們將對比功耗，并描述與每種方法相關(guān)的警告所涉及的問(wèn)題。

在共源共柵配置中，GaN 柵極接地，MOSFET 柵極被驅動(dòng)，以控制GaN 器件。由于MOSFET 是硅器件，因此許多柵極驅動(dòng)可用。但由于在GaN 器件關(guān)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(dòng)配置中，MOSFET 是一個(gè)直接驅動(dòng)配置，由柵極驅動(dòng)器在接地和負電壓（VNEG）之間驅動(dòng)的GaN 柵極導通/關(guān)斷組合器件。此外，MOSFET Coss 無(wú)需充電。關(guān)斷GaN Cgs 的電流來(lái)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(kāi)關(guān)頻率下會(huì )進(jìn)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(guān)斷，并通過(guò)體二極管導通。由于負載電流反向流動(dòng)，因此MOSFET 中存儲了電荷?？朔聪蚧謴碗姾傻碾娏鱽?lái)自高電壓電源，這會(huì )導致大量電損失。但在直接驅動(dòng)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(huì )導通。因此，最終在直接驅動(dòng)配置中不會(huì )出現與Qrr 相關(guān)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(guān)斷模式的GaN 和MOSFET 之間的電壓分布會(huì )導致MOSFET雪崩?？稍贛OSFET 的漏端和漏端之間并聯(lián)一個(gè)電容器^[4]予以解決。但這僅適用于軟開(kāi)關(guān)應用，并在硬開(kāi)關(guān)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(wú)法控制共源共柵驅動(dòng)中的開(kāi)關(guān)壓擺率。在硬開(kāi)關(guān)操作中，來(lái)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(chǎn)生的一些電流導通，可能會(huì )在初始充電期間導致較高的漏端電流。較高的漏端電流會(huì )導致共源共柵驅動(dòng)中的較高功率損耗。

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

另一方面，直接驅動(dòng)配置在開(kāi)關(guān)操作期間直接驅動(dòng)GaN 器件的柵極。無(wú)偏置電源時(shí)，MOSFET 柵極被拉至接地，并以與共源共柵配置相同的方式關(guān)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(dòng)GaN 柵極的優(yōu)點(diǎn)在于可通過(guò)設置對GaN 柵極充電的電流來(lái)控制壓擺率。

(1)

對于升壓轉換器，驅動(dòng)電路的簡(jiǎn)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(shí)，可通過(guò)使用柵極電流通過(guò)米勒反饋來(lái)控制開(kāi)關(guān)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(dòng)配置的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(kāi)關(guān)期間的電磁干擾（EMI）問(wèn)題。

圖2 是一個(gè)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(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴的差異。直接驅動(dòng)配置具有受控的導通，且過(guò)沖很少。而共源共柵驅動(dòng)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(kāi)關(guān)損耗。

圖3：直接驅動(dòng)配置的驅動(dòng)路徑模型。