Cascode GaN高電子遷移率晶體管高頻驅(qū)動電路及損耗分析

岳改麗 向付偉 李 忠

Cascode GaN高電子遷移率晶體管高頻驅(qū)動電路及損耗分析

岳改麗 向付偉 李 忠

（西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院 西安 710054）

為了減小氮化鎵驅(qū)動電路高頻工作時的損耗，針對共柵共源氮化鎵高電子遷移率晶體管（Cascode GaN HEMT）提出一種高頻諧振驅(qū)動電路，采用儲能元件替代傳統(tǒng)驅(qū)動電路中的耗能元件，電感電流為GaN器件柵極電容充/放電，有源密勒鉗位電路抑制橋臂串?dāng)_。該文重點研究高頻諧振驅(qū)動電路的工作模態(tài)，對電路損耗進行詳細(xì)分析，給出電感取值的選取原則，并利用PSIM軟件對電路進行仿真。最終搭建實驗平臺對電路的性能進行測試。結(jié)果表明，電感為電容充/放電提供低阻抗通路，能有效減小GaN器件驅(qū)動電路的電壓振蕩，明顯降低驅(qū)動電路的損耗。仿真和實驗同時證明了所提出的電路具有較好的性能。

Cascode GaN高電子遷移率晶體管 高頻諧振 驅(qū)動電路 串?dāng)_抑制 低損耗

0 引言

為了減小開關(guān)電源設(shè)備的體積，提高電源轉(zhuǎn)換效率，電源逐步向高功率密度、低損耗、高頻化方向發(fā)展，其中，高頻化對功率器件的驅(qū)動電路提出了新要求。傳統(tǒng)硅（Si）器件柵極驅(qū)動電路中包含耗能元件，高頻工作時，驅(qū)動損耗顯著增加，已成為限制開關(guān)電源發(fā)展的關(guān)鍵因數(shù)之一[1-2]。寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，極大地促進了驅(qū)動電路技術(shù)的發(fā)展[3-5]。寬禁帶器件具有導(dǎo)通電阻小、寄生參數(shù)小、工作頻率高的優(yōu)點，在減小電源體積和提高效率方面具有顯著優(yōu)勢[6-8]。目前，共柵共源氮化鎵高電子遷移率晶體管（Cascode Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor, Cascode GaN HEMT）是由低壓MOS管和高壓常通GaN組成，其剖面圖及等效電路如圖1所示。

圖1 Cascode GaN剖面圖及等效電路

GaN器件開關(guān)頻率可達到數(shù)十MHz，若延用傳統(tǒng)耗能型驅(qū)動電路，會導(dǎo)致電源效率降低。因此，在高頻應(yīng)用中，GaN驅(qū)動電路設(shè)計尤為重要，它將會直接影響器件的可靠性和穩(wěn)定性。自GaN器件商用以來，研究者們就著手探尋低功耗、高可靠性的驅(qū)動電路。文獻[9-10]提出了常通型GaN HEMT器件柵極諧振驅(qū)動電路，該類型器件正常情況下為常通狀態(tài)，極易造成短路故障。文獻[11-13]提出了全橋型諧振驅(qū)動電路，可以實現(xiàn)能量回饋，部分開關(guān)管能實現(xiàn)軟開關(guān)，具有較高的效率，但所需開關(guān)管數(shù)量較多，控制相對復(fù)雜。文獻[14-15]研究了一種抑制串?dāng)_的改進驅(qū)動電路，通過增加輔助支路抑制串?dāng)_，改進的驅(qū)動電路可降低時延和損耗。文獻[16]詳細(xì)地研究了SiC器件的靜態(tài)和動態(tài)特性，并基于Saber仿真環(huán)境，提出了一種應(yīng)用于光伏逆變器仿真的建模方法。文獻[17]提出了一種脈沖變壓器隔離IGBT驅(qū)動電路，電路響應(yīng)速度快，同時具備保護功能，但該電路不適用于高頻變換電路。文獻[18]研究了一種MHz隔離諧振驅(qū)動電路，該電路中的開關(guān)管能實現(xiàn)軟開關(guān)，可有效降低損耗，但驅(qū)動電壓振鈴較大。文獻[19]提出了高頻變換器的柵極多諧振驅(qū)動電路，該振驅(qū)動電路不僅節(jié)能，還可以縮短電源啟動時間，但多諧振驅(qū)動波形為準(zhǔn)方波，幅值波動大，而增強型GaN器件驅(qū)動電壓范圍窄（通常最大電壓為6V），不利于諧振元件參數(shù)選取。文獻[20]提出了一種GaN HEMT預(yù)充電式驅(qū)動電路，該電路由4只輔助開關(guān)管、電感和電容組成，實現(xiàn)了能量回饋，降低了驅(qū)動功耗；高/低電平鉗位，保證了開關(guān)管可靠開通和關(guān)斷，但該電路開關(guān)管數(shù)量多、驅(qū)動時序繁瑣、硬件電路設(shè)計復(fù)雜。因此，GaN器件的高頻驅(qū)動電路仍具有研究價值。

為了滿足GaN器件高頻驅(qū)動要求，本文針對Cascode GaN HEMT提出一種高頻諧振驅(qū)動電路，該電路由開關(guān)電路和串?dāng)_抑制電路組成。電感為GaN柵極電容充/放電提供一條低阻抗通路，可有效降低功耗，有源密勒鉗位電路能有效抑制橋臂串?dāng)_。本文分析了Cascode GaN器件的穩(wěn)態(tài)工作特性，重點研究了所提出的高頻驅(qū)動電路的工作模態(tài)；并對各模態(tài)的損耗進行了詳細(xì)分析；還為電路搭建了仿真模型和實驗平臺，分析了實驗結(jié)果；最后結(jié)合全文得出結(jié)論。

1 Cascode GaN HEMT原理

GaN是橫向器件，漏極和源極穿過AlGaN層與下層二維電子氣（Two-Dimensional Electron Gas,2DEG）形成歐姆接觸，并形成電流通路，當(dāng)2DEG被耗盡時，半絕緣GaN緩沖層阻礙電流流通。GaN器件關(guān)斷時，需在柵極和源極之間施加負(fù)壓將2DEG耗盡。GaN為常通器件，漏極與源極之間反向耐壓低，不適用于功率變換電路。為了解決這一問題，已有公司采用Cascode結(jié)構(gòu)開發(fā)出了適用于高壓的GaN器件。Transphorm公司650V高壓GaN器件就采用了低壓MOS與高壓常通GaN級聯(lián)的結(jié)構(gòu)制備GaN器件。本文以TP65H300G4LSG器件為例，研究一種適用于Cascode GaN的高頻驅(qū)動電路。該器件輸出特性曲線如圖2所示。

圖2 Cascode GaN輸出特性曲線

圖3 正向?qū)B(tài)

圖4 反向恢復(fù)模態(tài)

圖5 反向?qū)B(tài)

2 柵極高頻驅(qū)動電路

本文所提出的高頻驅(qū)動電路及工作波形如圖6所示。驅(qū)動電路由2只MOS管S1、S2，2只二極管VD1、VD2，諧振電感r和串?dāng)_抑制電路S3組成。其中，圖騰柱電路上管為PMOS，下管為NMOS，r為電感r的等效電阻，g1、g2為柵極驅(qū)動電阻，iss為GaN柵極等效電容，VD3、g1和g2分別提供兩條不同電流路徑，二極管VD1和VD2提供能量回饋路徑，ir為流過諧振電感電流，g為驅(qū)動電流，VD1和VD2分別為流過二極管VD1、VD2的電流。

圖6所提出的驅(qū)動電路中，開關(guān)管S3構(gòu)成串?dāng)_抑制電路，當(dāng)開關(guān)管S開通時，S3截止，寄生電容S3iss，故開通過程中可忽略S3的影響；當(dāng)開關(guān)管S關(guān)斷時，S3開通，S柵極電壓被鉗位，能有效抑制開關(guān)管串?dāng)_。

圖6 所提出的驅(qū)動電路及工作波形

工作模態(tài)分析如圖7所示。根據(jù)電路驅(qū)動時序?qū)υ砉ぷ髂B(tài)分析如下：

式中，iss=gd+gs，gd、gs分別為Cascode GaN柵漏極間寄生電容、柵源極間寄生電容。

模態(tài)6[5,6]：如圖7f所示。開關(guān)管S1、S2均截止，5時刻，電感r電流近似為零，[5,6]時間段內(nèi)，S截止，S3導(dǎo)通，S柵極電壓被鉗位，防止d/d經(jīng)gd產(chǎn)生位移電流，使得柵極電壓gs超過開通閾值電壓gs(th)，導(dǎo)致S誤導(dǎo)通。

3 電路損耗分析與參數(shù)選取

3.1 損耗分析

圖8 工作模態(tài)等效電路

充電電流為

放電電流為

模態(tài)3、模態(tài)6等效電路如圖8c、圖8f所示。電路中電流近似為零，由電感r和寄生電容S1、S2產(chǎn)生諧振，此時間段內(nèi)損耗忽略不計。

綜上分析，驅(qū)動電路的總損耗為

根據(jù)分析過程，結(jié)合已選型的器件參數(shù)得出開關(guān)頻率為1.5MHz時的損耗分布如圖9所示。

3.2 電感取值

根據(jù)驅(qū)動電路模態(tài)分析可知，諧振電容為GaN器件寄生電容和PCB的寄生參數(shù)之和，若器件選型和PCB布局確定，電容參數(shù)確定不變。調(diào)節(jié)諧振電感r值，可改變諧振驅(qū)動電路特性。研究發(fā)現(xiàn)，圖騰柱驅(qū)動信號脈沖寬度與諧振電感取值密切相關(guān)，為了確保GaN可靠開通和關(guān)斷，一個周期內(nèi)，電感中能量必須歸零。如果開關(guān)管開通期間能量沒有歸零，在模態(tài)3時間段內(nèi)，電路中電感r、電容iss與MOS管寄生電容產(chǎn)生電壓振蕩，可能導(dǎo)致GaN器件誤導(dǎo)通。為了保證GaN器件可靠驅(qū)動，最小脈沖寬度pw需大于諧振電感r為電容iss放電時間S2，為了避免兩只MOS同時導(dǎo)通，PWM占空比必須小于0.5，即

由式（1）、式（3）和式（18）得到電感r的取值需滿足

若電感取值太小，充/放電過程會產(chǎn)生較大的d/d，導(dǎo)致驅(qū)動波形產(chǎn)生電壓尖峰；同時，也會導(dǎo)致驅(qū)動能力不足。為了使GaN器件可靠工作，需確定電感r的最小取值。根據(jù)電荷守恒原理，S1導(dǎo)通時間段內(nèi)，電感r所儲存的電荷量Qr需大于S開通所需的電荷量g-S，即Qr＞g-S。

式中，p為電感峰值電流。

綜上分析，電感r的取值范圍為

4 仿真與實驗驗證

4.1 高頻驅(qū)動電路仿真

為了進一步驗證所提出的高頻驅(qū)動電路原理的正確性，本文利用PSIM軟件搭建了驅(qū)動電路模型，分別給出了1MHz和1.5MHz工作時的仿真結(jié)果，驅(qū)動電路仿真波形如圖10所示。由TP65H300G4LSG數(shù)據(jù)手冊查得，等效電容值iss=760pF，驅(qū)動電路仿真參數(shù)見表1。

圖10 驅(qū)動電路仿真波形

圖10中，ir為電感的電流波形，g為GaN器件柵極電壓波形，12、3分別為MOS管S1S2、S3的驅(qū)動波形。

表1 驅(qū)動電路仿真參數(shù)

Tab.1 Drive circuit simulation parameters

分析仿真結(jié)果可得，諧振回路具有阻抗小的優(yōu)點，可以減小開關(guān)管開通和關(guān)斷的電壓振蕩。調(diào)節(jié)電阻g1、g2可抑制GaN柵極驅(qū)動電壓振蕩，電阻需要根據(jù)實際情況選取，若取值較大，高頻工作時，d/d經(jīng)過電容gd產(chǎn)生位移電流，使S柵極電壓增加，當(dāng)電壓值大于閾值電壓時，會導(dǎo)致GaN器件誤導(dǎo)通。設(shè)計中必須保證電容iss放電時間小于MOS管導(dǎo)通時間，否則電容中電荷無法完全釋放，導(dǎo)致GaN關(guān)斷時，柵極電壓無法拉至低電平。

4.2 實驗分析

本文搭建了Cascode GaN HEMT器件的高頻諧振驅(qū)動電路實驗平臺，硬件驅(qū)動電路如圖11所示。電路包括隔離電路、MOS管驅(qū)動電路、諧振電路和串?dāng)_抑制電路四部分。由控制器產(chǎn)生圖6中MOS管S1、S2和S3所示時序的PWM波，經(jīng)高速隔離芯片后，由驅(qū)動芯片將功率放大，以滿足PMOS管和NMOS管的驅(qū)動要求，實現(xiàn)對GaN柵極電容iss進行充/放電，確保GaN器件能被可靠驅(qū)動。硬件驅(qū)動電路的器件選型見表2，MOS管的驅(qū)動時間設(shè)置見表3。驅(qū)動電路工作在不同頻率時，GaN柵極驅(qū)動電壓測試波形如圖12所示。

圖11 Cascode GaN高頻驅(qū)動電路

對比圖12和圖10發(fā)現(xiàn)，實驗測試波形與仿真波形結(jié)果一致，證明了設(shè)計的正確性。通過實驗得出，當(dāng)頻率增大時，需調(diào)節(jié)電感參數(shù)或MOS導(dǎo)通時間，使電感中能量被完全釋放，確保在任何情況下，GaN器件都能被可靠開通和關(guān)斷。

表2 驅(qū)動電路主要器件

Tab.2 Main components of the drive circuit

表3 驅(qū)動電路時序設(shè)置

Tab.3 Drive circuit timing setting

圖12 驅(qū)動電路測試波形

不同工作頻率條件下，驅(qū)動電路的功耗測試結(jié)果見表4。

表4 驅(qū)動電路功耗測試結(jié)果

Tab.4 Drive circuit power consumption test results

工作頻率為1MHz時，不同類型驅(qū)動電路的損耗見表5。

表5 驅(qū)動電路損耗對照

Tab.5 Drive circuit loss comparison

從表4中數(shù)據(jù)可以看出，隨著開關(guān)頻率增加，GaN器件的驅(qū)動損耗也顯著增加。對比表5中數(shù)據(jù)可得，本文所提出的高頻驅(qū)動電路損耗最小。雖然文獻[12]中提出的驅(qū)動電路損耗為0.258W，與本文電路損耗相近，但文獻[12]中沒有考慮驅(qū)動電路的橋臂串?dāng)_抑制問題。文獻[13]所提出的SiC驅(qū)動電路損耗為0.342W，文獻中所述電路采用雙電源供電，需要4只開關(guān)管，控制時序復(fù)雜，硬件設(shè)計困難。本文提出的驅(qū)動電路只需3只MOS管，具有驅(qū)動功耗低和抑制橋臂串?dāng)_的優(yōu)勢。

5 結(jié)論

本文針對在高頻驅(qū)動電路應(yīng)用中，傳統(tǒng)耗能型驅(qū)動電路無法使GaN器件完全發(fā)揮自身性能的問題，提出了一種Cascode GaN HEMT高頻諧振驅(qū)動電路，利用電感電流為GaN柵極電容iss充/放電，通過有源密勒鉗位電路抑制橋臂串?dāng)_。實驗結(jié)果表明，由電感r構(gòu)成的驅(qū)動電路具備回路阻抗低的特點，抑制了GaN器件柵極驅(qū)動波形的振蕩，同時降低了驅(qū)動損耗。工作頻率為1.5MHz時，驅(qū)動損耗為0.351W，該電路結(jié)構(gòu)簡單、控制易實現(xiàn)。與耗能型驅(qū)動電路和其他類型諧振驅(qū)動電路相比，本文所提出的高頻驅(qū)動電路具有功耗低、電路結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，并能有效抑制橋臂串?dāng)_，改善了GaN器件高頻驅(qū)動電路的工作性能。

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High-Frequency Drive Circuit and Its Loss Analysis of Cascode GaN High Electron Mobility Transistor

（School of Electrical and Control Engineering Xi’an University of Science & Technology Xi’an 710054 China）

In order to reduce the loss of the GaN driving circuit during high-frequency operation, a high-frequency resonant drive circuit for the Cascode GaN high electron mobility transistor is proposed in this paper. In the circuit, the traditional power-dissipation device is replaced by the power-storage device, and the GaN device gate capacitor is charged or discharged through the inductance current. At the same time, the crosstalk of bridge arm is suppressed by the active Mueller clamp circuit. In this paper, the working mode of the high-frequency resonant driving circuit was studied, the circuit loss was analyzed in detail, the selection principle of the inductance value was given, and the simulation of the circuit was verified by PSIM software. Finally, an experimental platform was built to test the performance of the circuit. The results show that the inductor provides a low impedance path for capacitor charging or discharging, the voltage oscillation of GaN device drive circuit is effectively reduced, and the loss is obviously reduced. The simulation and experiment show that the proposed circuit has better performance.

Cascode GaN high electron mobility transistor, high-frequency resonance, drive circuit, crosstalk suppression, low loss

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210243

TM46

岳改麗 女，1967年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為高頻功率變換和電力電子技術(shù)。E-mail: Yuegl@xust.edu.cn（通信作者）

向付偉 男，1996年生，碩士研究生，研究方向為高頻功率變換器技術(shù)。E-mail: xfwpowerdesign@163.com

2021-03-01

2021-05-19

國家自然科學(xué)基金資助項目（51777167）。

（編輯 陳 誠）