王宇萌+吳比

【摘要】作為新一代半導(dǎo)體功率器件，GaN（氮化鎵）寬禁帶半導(dǎo)體功率場效應(yīng)管具有許多Si材料不具備的優(yōu)異性能，可降低損耗，提高效率，完成器件小型化的要求，是Si材料的有力替代者。但其與傳統(tǒng)的Si MOSFET還存在諸多差異，如其反向?qū)ㄌ匦缘牟煌皷艠O電壓的嚴(yán)格控制。本文旨在研究GaN功率晶體管的合理驅(qū)動(dòng)方式。基于對(duì)GaN晶體管的特性分析，探究其在同步整流Buck變換器中的應(yīng)用特性，最終完成了對(duì)GaN功率器件的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，得到其在200kHz下的驅(qū)動(dòng)波形。

【關(guān)鍵詞】氮化鎵 GaN器件 Buck變換器 驅(qū)動(dòng)電路

1 GaN功率晶體管的特性分析

以美國宜普（EPC）公司推出的增強(qiáng)型低壓GaN功率晶體管為例，其利用AlN隔離層解決了硅襯底與氮化鎵的晶格適配問題。另外，由于結(jié)構(gòu)材料特性，MOSFET 中物理存在著一個(gè)寄生的二極管，俗稱體二極管（body-diode）。顯然，由于結(jié)構(gòu)上的不一樣，GaN 功率晶體管中并不存在這樣一個(gè)體二極管。

且對(duì)比增強(qiáng)型GaN功率晶體管、MOSFET的V-I 特性曲線可知，兩者的工作模式類似，但第三象限的工作模式不同。給定的驅(qū)動(dòng)電壓下， GaN 功率晶體管保持其在第一象限的恒阻特性。

大多數(shù)場合，只需要關(guān)注功率晶體管在第一象限的特性，但由于本文要探究GaN晶體管在同步整流Buck變換器中的應(yīng)用特性，需要關(guān)注在驅(qū)動(dòng)信號(hào)建立之前器件是否反向?qū)?。且GaN功率晶體管中并沒有體二極管，在驅(qū)動(dòng)信號(hào)沒有建立之前，其反向工作機(jī)制能否建立是GaN功率晶體管能否在此類場合中應(yīng)用的關(guān)鍵。

2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)采用EPC公司生產(chǎn)的GaN晶體管epc2007，針對(duì)其對(duì)柵極電壓的要求，選用TI公司的LM5114作為驅(qū)動(dòng)芯片。LM5114內(nèi)部結(jié)構(gòu)其最大峰值灌電流達(dá)到7.6A，具有同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)并聯(lián)晶體管的能力，能夠在低壓大電流場合發(fā)揮優(yōu)勢；兩個(gè)獨(dú)立輸出端的結(jié)構(gòu)能夠分別調(diào)節(jié)開通和關(guān)斷的速度，適合高頻應(yīng)用場合，典型的驅(qū)動(dòng)電路，該芯片外圍電路簡單，作為單驅(qū)動(dòng)高平性能優(yōu)異。

選取LM5114作為驅(qū)動(dòng)芯片，搭建驅(qū)動(dòng)電路。原理圖如圖4所示，其中，Si8410BB為數(shù)字隔離芯片，用于驅(qū)動(dòng)信號(hào)數(shù)字地與主電路模擬地的隔離。其中A1為輸入端，與GND1組成驅(qū)動(dòng)信號(hào)回路；B1為輸出端，對(duì)應(yīng)的地位GND2；VDD1和VDD2分別為隔離前后的供電電源。DSP輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)經(jīng)過濾波輸入到隔離芯片，經(jīng)過隔離后輸出給驅(qū)動(dòng)芯片LM5114的正向邏輯輸入端，地段VSS連接晶體管的源極兩個(gè)輸出端分別通過開通與關(guān)斷電阻共晶體管的柵極連接。

高工作頻率的DC-DC轉(zhuǎn)換器（同步整流Buck變換器）具有以下優(yōu)點(diǎn)：a.可以減少電容器和電感器等無源元件的尺寸，進(jìn)而減小Buck變換器的尺寸和成本；b.可以減小DC-DC轉(zhuǎn)換器的瞬時(shí)時(shí)間。需要快速轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器來跟蹤電源電壓的快速變化；c. Si功率器件無法實(shí)現(xiàn)高工作頻率轉(zhuǎn)換器，但在GaN FET等先進(jìn)功率器件可以輕松實(shí)現(xiàn)。相關(guān)參數(shù)的計(jì)算：

（1）

（2）

（3）

因此，在40V，5.1Ω和200kHz中的CCM操作中，實(shí)現(xiàn)低于5%的輸出電壓紋波，測試板的無源部件的型號(hào)由式（1）、（2）、（3）確定。最終選擇了L=4.7μH表面安裝型電感器和C=1μF硅電容器。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)驗(yàn)室完成了一臺(tái)同步整流Buck變換器，其完整電路如圖6所示。

由DSP芯片TMS320F28335給出占空比約為0.5的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。開關(guān)頻率為200kHz，開通電阻為5.1Ω，關(guān)斷電阻為1.8Ω，分別驅(qū)動(dòng)Si功率器件A1505和GaN功率器件EPC2007。圖7、圖8分別給出了不同功率器件下的驅(qū)動(dòng)波形。從波形中可以得同步整流Buck變換驅(qū)動(dòng)電路可以完成對(duì)GaN晶體管的開關(guān)控制，但其變換器的效率仍需進(jìn)一步提高。Si功率器件無法在此頻率下有效完成關(guān)斷。

4 結(jié)論

本文針對(duì)GaN功率晶體管的特性，設(shè)計(jì)了符合其性能的同步整流Buck變換驅(qū)動(dòng)電路，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比200kHz下Si MOSFET與GaN晶體管的驅(qū)動(dòng)波形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高頻（200kHz）同步整流Buck變換電路可以完成GaN晶體管和功率MOSEFT晶體管驅(qū)動(dòng)，GaN晶體管工作特性明顯優(yōu)于功率MOSEFT晶體管，這為GaN晶體管代替Si？MOSFET提供了理論支持和設(shè)計(jì)參考。