增强型GaN器件的驱动电路

1. 增强型GaN器件的驱动电压要求

  增强型GaN器件的栅极驱动阈值电压与最大栅-源极电压均低于传统硅功率器件，且开通阈值电压与最大栅-源极电压比较接近，在驱动电路设计中会带来新的问题。对于耐压范围在0~200V的低压增强型GaN器件，其开通阈值电压接近1V，容易因噪声或扰动而导致误开启，进而引起整个电源系统的损坏^[1]。如本设计选用的增强型GaN器件GS61004B，开通阈值电压最小值为1.1V，最大栅-源极电压为7V；而ST公司型号为STD45N10F7的Si MOSFET，开通阈值电压最小值为2.5V，最大栅-源极电压为20V。可以看出，硅功率MOSFET的最大栅-源极电压与开通阈值电压之间具有充足的余量。
  在传统Si MOSFET的驱动电路设计中，会有意识地使驱动电压高电平远大于开通阈值电压，通常约为10V，通过提高栅极驱动电压减小MOSFET的导通电阻，同时留有足够的安全余量保证栅-源极之间不会过压击穿。但是，增强型GaN器件的最大栅-源极电压仅为7V，其数据手册建议的驱动电压高电平为5~6V，以获得最佳的导通电阻性能与使用寿命。因此栅极驱动电压的安全余量一般接近1V，当高频工作时，驱动线路的寄生电感会引起驱动电压的振荡，容易导致栅-源极电压超过其工作范围。当驱动信号高电平超过最大栅-源极电压时，会导致器件的栅极逐渐退化，减弱沟道调控功能^[1]。此外，当增强型GaN器件关断时，一般不要求在栅-源极之间施加负电压。器件关断时的负驱动电压可以提高工作的可靠性，避免因电压扰动导致误开启，但同时也会增加反向导通损耗，如图 1所示。

图1 增强型GaN器件的反向导通特性

2. 增强型GaN器件驱动的可靠性问题

  由于受到功率器件本身特性的影响，如较低的开通阈值电压，在进行增强型GaN器件的驱动电路设计时需要注意一些可靠性问题，列举如下：

2.1. 米勒导通问题

  当器件关断时，增强型GaN器件的的寄生电容C_ds与C_gd进行充电，漏极电压由低电平跳变为高电平。寄生电容C_gd的充电电流路径如图 2所示，该电流的大小与寄生电容C_gd的容量大小以及漏极电压的变化率dV/dt正相关。该充电电流会为栅-源极之间的寄生电容C_gs充电，可能造成栅极电压升高，最终导致器件误开启，使电源发生损坏。

图2 （增强型GaN器件关断时）寄生电容的充电路径图
  为避免增强型GaN器件发生米勒导通问题，可在栅极与源极之间并联一个小容量的电容，降低C _gd充电电流的影响。但该电容会增加栅极驱动损耗，限制器件的开关速度。更常见的做法是降低驱动放电电阻的阻值，使绝大部分的C _gd充电电流通过放电电阻，可有效避免米勒导通现象的出现。

2.2. 自举驱动时栅极过电压问题

  半桥电路一般采用图 3中所示的驱动方法，其中上管使用的自举驱动方式。假设VCC=6V，当下管导通时，自举电容通过自举二极管充电，自举二极管的正向导通压降为1V，则充电完成后自举电容的电压为5V。随后下管关断，进入死区时间。由于增强型GaN器件的反向导通压降较高，可达到2V。则开关节点电压下降为-2V，自举电容继续充电且两端电压为7V。因此，过高的反向导通压降导致自举驱动电路的驱动高电平发生波动，可能导致增强型GaN器件的栅极发生过压击穿。

图3 半桥电路的驱动电路

2.3. 动态导通电阻退化问题

  引起增强型GaN功率器件发生动态导通电阻变化的原因是当器件处于关断且漏极具有高电压应力时，其缓冲层陷阱俘获电子，但缓冲层陷阱不能及时响应响应高频的开关速度，导致电子无法释放，引起二维电子气浓度下降和导通电阻升高。在高频工作时，动态导通电阻的退化会引起整机的效率降低，并可能导致电源发生不可控的结果，是目前限制增强型GaN功率器件应用于功率转换领域的因素之一^[1]。

3. 增强型GaN器件的驱动技术

  增强型GaN功率器件的驱动电路必须提供精确的栅极驱动电压，在确保优良性能的同时避免超过最大栅源耐压。另外，需要提供低电阻的栅极放电路径，有效降低器件发生米勒导通的风险。在高频的工作中，驱动器寄生参数的影响变得很重要，需要尽可能减小回路的寄生电感，如使用低电感封装、优化布局等。
  传统Si MOSFET的驱动电路使用二极管分离栅极驱动电容的放电回路，实现器件的快速通断。但是这种方法不适用于增强型GaN器件，因为二极管的正向导通压降非常接近其开通阈值电压，可能导致器件无法正常关断。目前出现了许多针对增强型GaN器件的驱动电路，如在传统驱动电路的基础上加入二极管-电阻-电容网络对栅极进行钳位保护^[2]、可降低反向导通损耗的三电平驱动方法、谐振驱动技术、独立的驱动电容充放电路径技术等^[3-5]。
  TI公司的单通道高速栅极驱动器UCC27611可用于驱动增强型GaN器件，采用充放电路径分离驱动方式。UCC27611的驱动电压高电平被内部线性稳压器精确稳压至5V，因此不会出现因自举电容过度充电而发生栅极承受过高电压的问题。这是一款专门针对5V驱动而设计优化的栅极驱动器，功能框图如图 4所示^[6]。通过分离充放电路径，可根据不同的器件进行开通和关断时间的调整。另外，该驱动器使用低寄生电感的封装，减小栅极电压的振荡。

图4 UCC27611功能框图

引用

[1] 程前.基于功率半桥拓扑的GaN器件高频开关特性研究[D].四川:电子科技大学,2019.
[2] Yajie Q.Using MOSFET Controllers to Drive GaN E-HEMTs[EB/OL]. https://gansystems.com/wp-content/uploads/2019/08/Bodos-Power-0819-GaNSystems.pdf,2019-08.
[3] 张弘,郑介鑫,郭建平.GaN功率开关器件驱动技术的研究与发展[J].电力电子技术,2017,51(8):71-74,94.
[4] 赵清林,崔少威,袁精, 等.低压氮化镓器件谐振驱动技术及其反向导通特性[J].电工技术学报,2019,34(z1):133-140. DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L80320.
[5] 伍文俊,兰雪梅.GaN FET的结构、驱动及应用综述[J].电子技术应用,2020,46(1):22-29,38. DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190961.
[6] Texas Instruments.UCC276115-V, 4-A to 6-A Low Side GaN Driver[EB/OL]. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc27611.pdf,2018-03.