1.設計背景

硅功率器件性能的發展已達到了極限，高頻化和小型化是開關電源的發展方向。與傳統的硅功率器件相比，寬禁帶功率半導體的性能要出色得多，碳化硅和氮化鎵是其中最具代表性的功率半導體器件。但由于氮化鎵功率器件的性能研究還不夠完善，器件制造商提供的特性數據有限，所以有必要對氮化鎵功率器件的性能進行進一步的研究。

GaN 功率器件采用的是高電子遷移率晶體管結構，開關過程很快，可實現非常高的開關頻率。相比較于 SiC 主要用于處理較大電力耐壓 600 V 以上的用途，GaN 功率器件則主要用于耐壓 600 V 以下，或要求數百 kHz 以上的高速開關的用途[1]。GaN 功率器件禁帶寬度大，擊穿強度高，相比于傳統的硅功率器件，在耐壓相同的情況下，裸片體積要小的多，寄生電容小，有助于提高開關速度。由于 GaN 的導通電阻小，采用 MOSFET 結構，耐壓更高且開關速度更快，所以開關損耗也要小的多，大部分情況下 0402和 0603 的貼片封裝都可以用。氮化鎵晶體管正向和反向導通都依靠二維電子導電，不存在少子的存儲效應，理論上沒有反向恢復。

2009 年 6 月 EPC 首次推出增強型硅基氮化鎵場效應晶體管，期望于替代功率 MOSFET，2013 年Transform 公司推出 600 V 系列 Cascode 增強型 GaN 晶體管，2015 年 GaN System 公司推出 100 V 和 650 V 兩種耐壓等級的 GaN 晶體管。GaN System 公司研發出世界上最小的 650V/15A 的氮化鎵晶體管，尺寸僅 5.0 mm × 6.5 mm，比同類產品的尺寸縮小 50% [2]。但目前整體上氮化鎵功率器件的發展仍處于起步階段，針對GaN System公司的氮化鎵芯片研究較少，所能參考的特性數據也非常有限，本文以GaN System的 GS66502B 芯片為研究對象，分析其動態特性，設計驅動電路，并針對出現的電壓尖峰進行吸收，使其在高頻下可靠工作。

2.基本原理

2.1驅動原理

GaN System的GS66502B 氮化鎵晶體管是650V/7A 增強型功率器件，柵源極電壓范圍為?10 V~+7 V。相對于 EPC 系列的氮化鎵晶體管的?4 V~6 V，具有更寬的輸入范圍。GS66502B 幾乎沒有開關損耗和反向續流二極管損耗，雖然體內沒有二極管，但有二極管的特性[3]。即 GaN 增強型晶體管反向導通具有等效“二極管”的特性，它與門極電壓有關。不需要外部的反并聯二極管，反向恢復性能優良，硬開關效率高。

針對 GaN 晶體管的柵極電壓需要嚴格控制的要求，TI 研制了專用的 GaN 柵極驅動芯片 LM5114，可將驅動電壓進行嚴格控制，輸出電壓范圍可在 4 V~12 V 之間可調。LM5114 可驅動一個單體增強型氮化鎵晶體管，具有獨立拉灌輸出功能[4]。獨立拉灌輸出功能可通過改變各自通道上的驅動電阻，分別控制開通和關斷時間，可避免采用同一驅動電阻時對關斷通道造成的不良影響。

圖 1 是 Si MOSFET 器件常用的驅動電路，常用的驅動電路一般只使用一個 VO 輸出引腳。當驅動信號為高電平時，反并聯二極管 D1 截止，驅動器的 VCC 通過驅動電阻 RGON 給開關管的結電容進行充電。當驅動信號為低電平時，反并聯二極管 D1 導通，反并聯二極管產生的導通壓降加在柵源極之間。由于氮化鎵功率器件的閾值電壓很低，GS66502B 的閾值電壓只有 1.5 V，如果采用拉灌共用輸出的驅動電路將會導致柵源極電壓超過閾值電壓，造成晶體管關斷失敗。為實現與共用輸出引腳電路相同的驅動功能，同時也為了避免二極管的使用，可采用開通和關斷獨立輸出的驅動電路，如圖 2 所示。

Figure 1. Driving circuit for common output of pullirrigation

圖 1. 拉灌共用輸出的驅動電路

Figure 2. Driving circuit for independent pull irrigationoutput

圖 2. 獨立拉灌輸出的驅動電路

2.2驅動電路設計

   開通電阻控制開通的轉換速率，但是太大的開通電阻會降低開關速率增加損耗，太小的開通電阻則開關速度很大，會使開關損耗也增大，這是由于米勒產生可能的門極振蕩。關斷電阻常用的開通阻值范圍為 1~2 Ω，可為氮化鎵晶體管提供強大快速的門極驅動下拉。而對于反向的 dv/dt，逆向的米勒電流，要有一個低阻抗通路用來減少反向的門極尖峰電壓和由 LC 諧振引起的后面的振鈴。所以選擇合適的門極電阻，氮化鎵晶體管的速度就可以被門極電阻很好的控制。關鍵是選好合適的 RG(ON)和 RG(OFF)有助于驅動性能的穩定。本文選取 LM5114 作為 GS66502B 氮化鎵器件的驅動芯片，設計基本的驅動電路，開通電阻 5.1 Ω，關斷電阻 1.8 Ω，如圖 3。

Figure 3. Double pulse test circuit using LM5114

圖 3. 采用 LM5114 的雙脈沖測試電路

2.3輔助電源設計

   由于氮化鎵功率器件的驅動電壓不同于普通 Si MOSFET，所用的 LM5114 的供電電壓也不一樣，所以在變換器應用中需要提供輔助電源實現驅動芯片的供電。對于 GS66502B，柵源極電壓范圍為?10 V~+7 V，開通最佳值為 6 V，所以需要額外的 6 V 供電電壓。本文設計了一種基于 LNK306PN 的 220 V 轉 6 V的輔助電源電路，可以給 GS66502B 提供 6 V 的輔助電源供電，如圖 4 所示。

2.4雙脈沖原理

   雙脈沖測試的原理是驅動電路發出一寬一窄兩個脈沖，氮化鎵晶體管開通關斷兩次。在 t1 時刻，寬脈沖到來，VGS 升高，氮化鎵晶體管降至通態電壓，主電路直流電源兩端電壓幾乎全部加在電感上面，電感電流線性升高，此時氮化鎵晶體管的導通電流 ID 等于電感電流 IL。在 t2 時刻，寬脈沖結束，VGS 降為零，晶體管關斷的同時與等效二極管開始換流，電感電流幾乎保持不變。在 t3 時刻，窄脈沖到來，電路中電流已達到一定值，所以可以有效測試氮化鎵晶體管帶負載開通的能力，并觀察其與等效二極管換流

的情況。而 t3 到 t4 時刻，電流 ID 和 IL繼續線性上升，直到第二次關斷后電感中儲存的能量完全消耗。

Figure 4. Auxiliary power circuit

圖 4. 輔助電源電路

隨著技術的發展，越來越多的GAN MOS驅動電路出現。不少廠家為了大家設計方便，直接將GAN驅動電路采用一個集成IC來做，這樣既方便了大家設計，也為后續量產驅動電路一致性，可靠性提供了保障。也能最大地發揮GAN MOS優勢。