GaN宽禁带半导体功率场效应晶体管驱动优化的研究

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【摘要】作为新一代半导w功率器件，gan（氮化镓）宽禁带半导体功率场效应管具有许多Si材料不具备的优异性能，可降低损耗，提高效率，完成器件小型化的要求，是Si材料的有力替代者。但其与传统的Si MOSFET还存在诸多差异，如其反向导通特性的不同及栅极电压的严格控制。本文旨在研究GaN功率晶体管的合理驱动方式。基于对GaN晶体管的特性分析，探究其在同步整流Buck变换器中的应用特性，最终完成了对GaN功率器件的驱动电路的设计，得到其在200kHz下的驱动波形。

【关键词】氮化镓 GaN器件 Buck变换器 驱动电路

1 GaN功率晶体管的特性分析

以美国宜普（EPC）公司推出的增强型低压GaN功率晶体管为例，其利用AlN隔离层解决了硅衬底与氮化镓的晶格适配问题。另外，由于结构材料特性，MOSFET 中物理存在着一个寄生的二极管，俗称体二极管（body-diode）。显然，由于结构上的不一样，GaN 功率晶体管中并不存在这样一个体二极管。

且对比增强型GaN功率晶体管、MOSFET的V-I 特性曲线可知，两者的工作模式类似，但第三象限的工作模式不同。给定的驱动电压下， GaN 功率晶体管保持其在第一象限的恒阻特性。

大多数场合，只需要关注功率晶体管在第一象限的特性，但由于本文要探究GaN晶体管在同步整流Buck变换器中的应用特性，需要关注在驱动信号建立之前器件是否反向导通。且GaN功率晶体管中并没有体二极管，在驱动信号没有建立之前，其反向工作机制能否建立是GaN功率晶体管能否在此类场合中应用的关键。

2 驱动电路设计

本次实验采用EPC公司生产的GaN晶体管epc2007，针对其对栅极电压的要求，选用TI公司的LM5114作为驱动芯片。LM5114内部结构其最大峰值灌电流达到7.6A，具有同时驱动多个并联晶体管的能力，能够在低压大电流场合发挥优势；两个独立输出端的结构能够分别调节开通和关断的速度，适合高频应用场合，典型的驱动电路，该芯片电路简单，作为单驱动高平性能优异。

选取LM5114作为驱动芯片，搭建驱动电路。原理图如图4所示，其中，Si8410BB为数字隔离芯片，用于驱动信号数字地与主电路模拟地的隔离。其中A1为输入端，与GND1组成驱动信号回路；B1为输出端，对应的地位GND2；VDD1和VDD2分别为隔离前后的供电电源。DSP输出的驱动脉冲信号经过滤波输入到隔离芯片，经过隔离后输出给驱动芯片LM5114的正向逻辑输入端，地段VSS连接晶体管的源极两个输出端分别通过开通与关断电阻共晶体管的栅极连接。

高工作频率的DC-DC转换器（同步整流Buck变换器）具有以下优点：a.可以减少电容器和电感器等无源元件的尺寸，进而减小Buck变换器的尺寸和成本；b.可以减小DC-DC转换器的瞬时时间。需要快速转换转换器来跟踪电源电压的快速变化；c. Si功率器件无法实现高工作频率转换器，但在GaN FET等先进功率器件可以轻松实现。相关参数的计算：

（1）

（2）

（3）

因此，在40V，5.1Ω和200kHz中的CCM操作中，实现低于5%的输出电压纹波，测试板的无源部件的型号由式（1）、（2）、（3）确定。最终选择了L=4.7μH表面安装型电感器和C=1μF硅电容器。

3 实验结果

根据上述设计的驱动电路，实验室完成了一台同步整流Buck变换器，其完整电路如图6所示。

由DSP芯片TMS320F28335给出占空比约为0.5的驱动信号。开关频率为200kHz，开通电阻为5.1Ω，关断电阻为1.8Ω，分别驱动Si功率器件A1505和GaN功率器件EPC2007。图7、图8分别给出了不同功率器件下的驱动波形。从波形中可以得同步整流Buck变换驱动电路可以完成对GaN晶体管的开关控制，但其变换器的效率仍需进一步提高。Si功率器件无法在此频率下有效完成关断。

4 结论

本文针对GaN功率晶体管的特性，设计了符合其性能的同步整流Buck变换驱动电路，并通过实验对比200kHz下Si MOSFET与GaN晶体管的驱动波形。实验结果表明，高频（200kHz）同步整流Buck变换电路可以完成GaN晶体管和功率MOSEFT晶体管驱动，GaN晶体管工作特性明显优于功率MOSEFT晶体管，这为GaN晶体管代替Si？MOSFET提供了理论支持和设计参考。