GaN 器件的直接驱动配置

受益于集成器件保护，直接驱动GaN器件可实现更高的开关电源效率和更佳的系统级可靠性。

高电压（600V）氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）的开关特性可实现提高开关模式电源效率和密度的新型拓扑。GaN具有低寄生电容（Ciss、Coss、Crss）和无第三象限反向恢复的特点。这些特性可实现诸如图腾柱无桥功率因数控制器（PFC）等较高频率的硬开关拓扑。由于它们的高开关损耗，MOSFET和绝缘栅双极晶体管（IGBT）实现此类拓扑。本文中，我们将重点介绍直接驱动GaN晶体管的优点，包括更低的开关损耗、更佳的压摆率控制和改进的器件保护。

图1：共源共栅驱动和直接驱动配置。

简介

在设计开关模式电源时，主要品质因数（FOM）包括成本、尺寸和效率。[1]这三个FOM 是耦合型，需要考虑诸多因素。例如，增加开关频率可减小磁性元件的尺寸和成本，但会增加磁性元件的损耗和功率器件中的开关损耗。由于GaN 的寄生电容低且没有二极管反向恢复，因此与MOSFET 和IGBT 相比，GaN HEMT 具有显著降低损耗的潜力。

通常来讲，MOSFET/IGBT驱动提供合适的导通和关断电流，以支持输入电容。驱动输出和设备栅极之间的外部电阻控制压摆率，并抑制功率和栅极环路振铃。随着GaN压摆率增加，外部组件增加了过多的寄生电感，无法控制开关。将驱动与GaN器件集成到封装中可最大程度降低寄生电感、降低开关损耗并优化驱动控制。

图2：硬切换操作导致过多振铃。

直接驱动优点

漏端和漏端之间的GaN中存在本征二维电子气层（2-DEG），使该器件在零栅极-漏端电压下导电。出于安全原因，没有偏置电源时，必须关闭开关电源中使用的电源器件，以将输入与输出断开。为模拟增强模式器件，将低压MOSFET与GaN源端串联放置。图1所示为实现此目的的两种不同配置：共源共栅驱动和直接驱动。

现在，我们将对比功耗，并描述与每种方法相关的警告所涉及的问题。

在共源共栅配置中，GaN 栅极接地，MOSFET 栅极被驱动，以控制GaN 器件。由于MOSFET 是硅器件，因此许多栅极驱动可用。但由于在GaN 器件关闭之前必须将GaN 栅极至漏端电容（Cgs）和MOSFET Coss 充电至GaN 阈值电压，因此该配置具有较高的组合Coss。

在直接驱动配置中，MOSFET 是一个直接驱动配置，由栅极驱动器在接地和负电压（VNEG）之间驱动的GaN 栅极导通/关断组合器件。此外，MOSFET Coss 无需充电。关断GaN Cgs 的电流来自较低的偏压电源。较低的电源电压可提供相同的GaN 栅极至漏端电荷（Qgs），从而可降低功耗。这些功率效率差异在更高的开关频率下会进一步放大。

反向恢复Qrr 损失对于共源共栅配置有效。这是因为在第三象限导通中，MOSFET 关断，并通过体二极管导通。由于负载电流反向流动，因此MOSFET 中存储了电荷。克服反向恢复电荷的电流来自高电压电源，这会导致大量电损失。但在直接驱动配置中，MOSFET 始终处于导通状态，且由于其RDSON 低，其寄生二极管也不会导通。因此，最终在直接驱动配置中不会出现与Qrr 相关的功率损耗。

在共源共栅配置中，由于GaN 漏源电容高（Cds）[2，3]，处于关断模式的GaN 和MOSFET 之间的电压分布会导致MOSFET雪崩。可在MOSFET 的漏端和漏端之间并联一个电容器^[4]予以解决。但这仅适用于软开关应用，并在硬开关应用中导致高功率损耗。

鉴于GaN 栅极已连至MOSFET 的漏端，因此无法控制共源共栅驱动中的开关压摆率。在硬开关操作中，来自GaN Cgs、MOSFET Coss、MOSFET Qrr 的有效Coss 的增加，以及由于防止MOSFET 崩溃而可能产生的一些电流导通，可能会在初始充电期间导致较高的漏端电流。较高的漏端电流会导致共源共栅驱动中的较高功率损耗。

在MOSFET 的漏端充电至足以关闭GaN 器件的程度后，从漏端观察到Coss 突然下降——加上流经功率环路电感的漏端电流较高——导致共源共栅中开关节点的过度振铃组态。硬开关事件期间的开关波形如图2 所示（橙色轨线=共源共栅驱动；蓝色迹线=直接驱动）。在此模拟中，即使直接驱动配置的压摆率较低且振铃较少（直接驱动在50 V/ns 时为4.2W，而共源共栅驱动在150 V/ns 时为4.6 W，所有负载电流均为5A），直接驱动配置每次硬开关耗散的能量却更少。

另一方面，直接驱动配置在开关操作期间直接驱动GaN 器件的栅极。无偏置电源时，MOSFET 栅极被拉至接地，并以与共源共栅配置相同的方式关闭GaN 器件。一旦存在偏置电源，MOSFET 保持导通状态，其寄生电容和体二极管从电路中移出。直接驱动GaN 栅极的优点在于可通过设置对GaN 栅极充电的电流来控制压摆率。

(1)

对于升压转换器，驱动电路的简易模型如图3 所示。可使用该模型推导公式[1]。

等式1 证明：当GaN 器件具有足够的栅漏电容（Cgd）时，可通过使用栅极电流通过米勒反馈来控制开关事件的压摆率。对于低Cgd 器件，将丢失反馈，且器件的跨导（gm）控制压摆率。

直接驱动配置的另一个优点在于可在栅极环路中增加阻抗，以抑制其寄生谐振。抑制栅极环路还可减少电源环路中的振铃。这降低了GaN 器件上的电压应力，并减少了硬开关期间的电磁干扰（EMI）问题。

图2 是一个模拟图，显示以功率和栅极环路寄生电感为模型的降压转换器中开关节点振铃的差异。直接驱动配置具有受控的导通，且过冲很少。而共源共栅驱动由于较高的初始Coss、Qrr 和较低的栅极环路阻抗而具有较大的振铃和硬开关损耗。

图3：直接驱动配置的驱动路径模型。