文章目錄
- 1. 增強型GaN器件的驅動電壓要求
- 2. 增強型GaN器件驅動的可靠性問題
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- 2.1. 米勒導通問題
- 2.2. 自舉驅動時栅極過電壓問題
- 2.3. 動态導通電阻退化問題
- 3. 增強型GaN器件的驅動技術
- 引用
1. 增強型GaN器件的驅動電壓要求
增強型GaN器件的栅極驅動門檻值電壓與最大栅-源極電壓均低于傳統矽功率器件，且開通門檻值電壓與最大栅-源極電壓比較接近，在驅動電路設計中會帶來新的問題。對于耐壓範圍在0~200V的低壓增強型GaN器件，其開通門檻值電壓接近1V，容易因噪聲或擾動而導緻誤開啟，進而引起整個電源系統的損壞[1]。如本設計選用的增強型GaN器件GS61004B，開通門檻值電壓最小值為1.1V，最大栅-源極電壓為7V；而ST公司型号為STD45N10F7的Si MOSFET，開通門檻值電壓最小值為2.5V，最大栅-源極電壓為20V。可以看出，矽功率MOSFET的最大栅-源極電壓與開通門檻值電壓之間具有充足的餘量。
在傳統Si MOSFET的驅動電路設計中，會有意識地使驅動電壓高電平遠大于開通門檻值電壓，通常約為10V，通過提高栅極驅動電壓減小MOSFET的導通電阻，同時留有足夠的安全餘量保證栅-源極之間不會過壓擊穿。但是，增強型GaN器件的最大栅-源極電壓僅為7V，其資料手冊建議的驅動電壓高電平為5~6V，以獲得最佳的導通電阻性能與使用壽命。是以栅極驅動電壓的安全餘量一般接近1V，當高頻工作時，驅動線路的寄生電感會引起驅動電壓的振蕩，容易導緻栅-源極電壓超過其工作範圍。當驅動信号高電平超過最大栅-源極電壓時，會導緻器件的栅極逐漸退化，減弱溝道調控功能[1]。此外，當增強型GaN器件關斷時，一般不要求在栅-源極之間施加負電壓。器件關斷時的負驅動電壓可以提高工作的可靠性，避免因電壓擾動導緻誤開啟，但同時也會增加反向導通損耗，如圖 1所示。
圖1 增強型GaN器件的反向導通特性
2. 增強型GaN器件驅動的可靠性問題
由于受到功率器件本身特性的影響，如較低的開通門檻值電壓，在進行增強型GaN器件的驅動電路設計時需要注意一些可靠性問題，列舉如下：
2.1. 米勒導通問題
當器件關斷時，增強型GaN器件的的寄生電容Cds與Cgd進行充電，漏極電壓由低電平跳變為高電平。寄生電容Cgd的充電電流路徑如圖 2所示，該電流的大小與寄生電容Cgd的容量大小以及漏極電壓的變化率dV/dt正相關。該充電電流會為栅-源極之間的寄生電容Cgs充電，可能造成栅極電壓升高，最終導緻器件誤開啟，使電源發生損壞。
圖2 （增強型GaN器件關斷時）寄生電容的充電路徑圖
為避免增強型GaN器件發生米勒導通問題，可在栅極與源極之間并聯一個小容量的電容，降低C gd充電電流的影響。但該電容會增加栅極驅動損耗，限制器件的開關速度。更常見的做法是降低驅動放電電阻的阻值，使絕大部分的C gd充電電流通過放電電阻，可有效避免米勒導通現象的出現。
2.2. 自舉驅動時栅極過電壓問題
半橋電路一般采用圖 3中所示的驅動方法，其中上管使用的自舉驅動方式。假設VCC=6V，當下管導通時，自舉電容通過自舉二極管充電，自舉二極管的正向導通壓降為1V，則充電完成後自舉電容的電壓為5V。随後下管關斷，進入死區時間。由于增強型GaN器件的反向導通壓降較高，可達到2V。則開關節點電壓下降為-2V，自舉電容繼續充電且兩端電壓為7V。是以，過高的反向導通壓降導緻自舉驅動電路的驅動高電平發生波動，可能導緻增強型GaN器件的栅極發生過壓擊穿。
圖3 半橋電路的驅動電路
2.3. 動态導通電阻退化問題
引起增強型GaN功率器件發生動态導通電阻變化的原因是當器件處于關斷且漏極具有高電壓應力時，其緩沖層陷阱俘獲電子，但緩沖層陷阱不能及時響應響應高頻的開關速度，導緻電子無法釋放，引起二維電子氣濃度下降和導通電阻升高。在高頻工作時，動态導通電阻的退化會引起整機的效率降低，并可能導緻電源發生不可控的結果，是目前限制增強型GaN功率器件應用于功率轉換領域的因素之一[1]。
3. 增強型GaN器件的驅動技術
增強型GaN功率器件的驅動電路必須提供精确的栅極驅動電壓，在確定優良性能的同時避免超過最大栅源耐壓。另外，需要提供低電阻的栅極放電路徑，有效降低器件發生米勒導通的風險。在高頻的工作中，驅動器寄生參數的影響變得很重要，需要盡可能減小回路的寄生電感，如使用低電感封裝、優化布局等。
傳統Si MOSFET的驅動電路使用二極管分離栅極驅動電容的放電回路，實作器件的快速通斷。但是這種方法不适用于增強型GaN器件，因為二極管的正向導通壓降非常接近其開通門檻值電壓，可能導緻器件無法正常關斷。目前出現了許多針對增強型GaN器件的驅動電路，如在傳統驅動電路的基礎上加入二極管-電阻-電容網絡對栅極進行鉗位保護[2]、可降低反向導通損耗的三電平驅動方法、諧振驅動技術、獨立的驅動電容充放電路徑技術等[3-5]。
TI公司的單通道高速栅極驅動器UCC27611可用于驅動增強型GaN器件，采用充放電路徑分離驅動方式。UCC27611的驅動電壓高電平被内部線性穩壓器精确穩壓至5V，是以不會出現因自舉電容過度充電而發生栅極承受過高電壓的問題。這是一款專門針對5V驅動而設計優化的栅極驅動器，功能框圖如圖 4所示[6]。通過分離充放電路徑，可根據不同的器件進行開通和關斷時間的調整。另外，該驅動器使用低寄生電感的封裝，減小栅極電壓的振蕩。
圖4 UCC27611功能框圖
引用
[1] 程前.基于功率半橋拓撲的GaN器件高頻開關特性研究[D].四川:電子科技大學,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] 張弘,鄭介鑫,郭建平.GaN功率開關器件驅動技術的研究與發展[J].電力電子技術,2017,51(8):71-74,94.
[4] 趙清林,崔少威,袁精, 等.低壓氮化镓器件諧振驅動技術及其反向導通特性[J].電工技術學報,2019,34(z1):133-140. DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L80320.
[5] 伍文俊,蘭雪梅.GaN FET的結構、驅動及應用綜述[J].電子技術應用,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.