GaN寬禁帶半導體功率場效應晶體管驅動優化的研究

王宇萌+吳比

【摘要】作為新一代半導體功率器件，GaN（氮化鎵）寬禁帶半導體功率場效應管具有許多Si材料不具備的優異性能，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。但其與傳統的Si MOSFET還存在諸多差異，如其反向導通特性的不同及柵極電壓的嚴格控制。本文旨在研究GaN功率晶體管的合理驅動方式。基于對GaN晶體管的特性分析，探究其在同步整流Buck變換器中的應用特性，最終完成了對GaN功率器件的驅動電路的設計，得到其在200kHz下的驅動波形。

【關鍵詞】氮化鎵 GaN器件 Buck變換器 驅動電路

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，由于結構材料特性，MOSFET 中物理存在著一個寄生的二極管，俗稱體二極管（body-diode）。顯然，由于結構上的不一樣，GaN 功率晶體管中并不存在這樣一個體二極管。

且對比增強型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。給定的驅動電壓下， GaN 功率晶體管保持其在第一象限的恒阻特性。

大多數場合，只需要關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變換器中的應用特性，需要關注在驅動信號建立之前器件是否反向導通。且GaN功率晶體管中并沒有體二極管，在驅動信號沒有建立之前，其反向工作機制能否建立是GaN功率晶體管能否在此類場合中應用的關鍵。

2 驅動電路設計

本次實驗采用EPC公司生產的GaN晶體管epc2007，針對其對柵極電壓的要求，選用TI公司的LM5114作為驅動芯片。LM5114內部結構其最大峰值灌電流達到7.6A，具有同時驅動多個并聯晶體管的能力，能夠在低壓大電流場合發揮優勢；兩個獨立輸出端的結構能夠分別調節開通和關斷的速度，適合高頻應用場合，典型的驅動電路，該芯片外圍電路簡單，作為單驅動高平性能優異。

選取LM5114作為驅動芯片，搭建驅動電路。原理圖如圖4所示，其中，Si8410BB為數字隔離芯片，用于驅動信號數字地與主電路模擬地的隔離。其中A1為輸入端，與GND1組成驅動信號回路；B1為輸出端，對應的地位GND2；VDD1和VDD2分別為隔離前后的供電電源。DSP輸出的驅動脈沖信號經過濾波輸入到隔離芯片，經過隔離后輸出給驅動芯片LM5114的正向邏輯輸入端，地段VSS連接晶體管的源極兩個輸出端分別通過開通與關斷電阻共晶體管的柵極連接。

高工作頻率的DC-DC轉換器（同步整流Buck變換器）具有以下優點：a.可以減少電容器和電感器等無源元件的尺寸，進而減小Buck變換器的尺寸和成本；b.可以減小DC-DC轉換器的瞬時時間。需要快速轉換轉換器來跟蹤電源電壓的快速變化；c. Si功率器件無法實現高工作頻率轉換器，但在GaN FET等先進功率器件可以輕松實現。相關參數的計算：

（1）

（2）

（3）

因此，在40V，5.1Ω和200kHz中的CCM操作中，實現低于5%的輸出電壓紋波，測試板的無源部件的型號由式（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 實驗結果

根據上述設計的驅動電路，實驗室完成了一臺同步整流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的驅動信號。開關頻率為200kHz，開通電阻為5.1Ω，關斷電阻為1.8Ω，分別驅動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動波形。從波形中可以得同步整流Buck變換驅動電路可以完成對GaN晶體管的開關控制，但其變換器的效率仍需進一步提高。Si功率器件無法在此頻率下有效完成關斷。

4 結論

本文針對GaN功率晶體管的特性，設計了符合其性能的同步整流Buck變換驅動電路，并通過實驗對比200kHz下Si MOSFET與GaN晶體管的驅動波形。實驗結果表明，高頻（200kHz）同步整流Buck變換電路可以完成GaN晶體管和功率MOSEFT晶體管驅動，GaN晶體管工作特性明顯優于功率MOSEFT晶體管，這為GaN晶體管代替Si？MOSFET提供了理論支持和設計參考。