基于氮化镓的碳化硅功率MOSFET高频谐振栅极驱动器

对于碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)等宽禁带(WBG)功率器件而言，优化的栅极驱动尤为重要。此类转换器的快速开关需仔细考量寄生参数、过冲/欠冲现象以及功率损耗最小化问题，而驱动电路在这些方面都起着关键作用。

 

本文介绍了一种用于碳化硅升压转换器的氮化镓谐振栅极驱动器。该方案不仅能实现高效率，还能在高开关频率下保持良好控制的开关转换特性。

 

谐振栅极驱动器原理

 

转换器中的主要功率损耗可分为三大类：

 

导通损耗(PCON)：取决于导通电流(Ion)和导通电阻(RDSON)

 

开关损耗(PSW)和直通损耗(PSHOOT)：与转换器拓扑结构(软/硬开关)、器件及电路寄生参数、开关转换速率、频率、死区时间控制等因素相关

 

栅极驱动损耗(PGATE)：在传统电压源栅极驱动中，此项损耗又称CV²损耗，表现为开关转换过程中栅极电阻(RG)和栅极驱动晶体管导通电阻上的功率损耗

 

计算公式为：PGATE = CISS × VDRIVE × fsw

 

其中CISS是功率器件的输入电容(CGS栅源电容与CGD米勒电容之和)，VDRIVE为栅极驱动净电压(VGS(ON)-VGS(OFF))，fsw为开关频率。

 

栅极驱动损耗在低功率条件(此时导通损耗占比较小)和软开关工况(相比硬开关可降低开关损耗)下可能占据总损耗的很大比重。例如在10W硅MOSFET同步降压转换器中，1MHz工作时栅极驱动损耗可使总效率降低15%以上。

 

谐振栅极驱动器通过构建电流源来驱动功率器件，利用功率FET的输入电容CISS与外接电感形成谐振回路。电感电流对功率FET的CISS电容进行充放电。理想情况下谐振驱动可实现零损耗，实际应用中虽然消除了外部CV²损耗，但谐振电流路径中的导通和寄生电阻仍会产生损耗。功率器件内部栅极电阻限制了谐振驱动相比电压源驱动可实现损耗降低的最高实用开关频率。

 

现有多种谐振驱动器方案各具优劣，其中图腾柱桥式结构(谐振电感与功率器件栅极连接至开关节点)是基础拓扑。研究表明，在400V/60A工况下，谐振驱动可使1MHz工作的硅功率器件栅极驱动损耗降低50%以上。此外，谐振驱动实现的更快开关转换还能降低功率器件的开关损耗。

 

氮化镓谐振栅极驱动器实现

 

以色列阿里尔大学的L. Cohen团队创新性地研究了基于氮化镓的谐振栅极驱动方案。横向高电子迁移率晶体管(HEMT)特性使其适合高频开关与控制应用的单片集成。研究者为碳化硅MOSFET功率器件开发了双极性高频GaN HEMT谐振驱动，采用负压关断设计(部分SiC厂商推荐)，既可降低漏极电压上升通过米勒电容引发的寄生导通风险，又能实现更快开关转换速率和更低反向恢复损耗。

 

图1所示的电路框图虽可采用单片集成方案，但实验验证采用分立芯片构建驱动器的各子电路：

图1

 

双极性电源(高边GaN HEMT导通用的+VCC和低边GaN HEMT关断用的-VEE)由环形振荡器(RO)DC-DC转换器生成。RO电路由奇数级反相器链构成，采用增强型GaN HEMT级联，其中低边(LS)器件由前级驱动，高边(HS)器件由栅压控制。该电路可视为一阶RC电路，通过控制各级充放电实现所需转换。GaN器件允许更高开关速度，+VCC由RO升压转换器产生，-VEE由RO升降压转换器生成，本电路采用EPC2038(100V/3300mΩ)器件实现+20V VCC和-10V VEE输出。

 

RO PWM级控制谐振驱动GaN HEMT的栅极，包含PWM信号发生器和基于或非锁存器的死区电路，驱动RO和锁存器同样采用EPC2038 HEMT，可实现超2MHz的开关频率。

 

谐振驱动器由增强型GaN HEMT半桥构成，本方案采用EPC2152集成半桥(80V/15A规格)，通过EPC9097评估板实现。图1中Lr电感与Cr电容与被驱动SiC MOSFET的CISS构成谐振回路。当HS GaN HEMT导通、LS GaN HEMT关断时，+VCC电压施加于SiC MOSFET栅源极之间，Lr电流对栅极充电;反之则施加-VEE电压，SiC MOSFET栅电容通过Lr放电。Lr作为功率栅极的电流源，既消除了米勒效应，又能在MHz频率下实现高效功率转换。该谐振驱动器本质上是工作在断续导通模式(DCM)的同步降压转换器，通过开关转换期间的谐振实现被驱动功率器件的栅电荷回收，本方案采用150nH的Lr值。

 

被驱动功率器件采用安森美NTH4L160N120SC1 SiC MOSFET(1200V/160mΩ)，配合SiC肖特基二极管和4.6nH升压电感(图1未显示)构成升压功率级。

 

实验结果

 

在2MHz开关频率下获得了清晰的开关波形，测得SiC栅极上升/下降时间分别为10.2ns和11.7ns。相比标准电压源栅极驱动，谐振驱动方案实现26.8%的栅极功率损耗优势。当升压功率级在354.4V输入电压(VIN指升压级输入，即连接SiC MOSFET漏极的升压电感端)驱动1350Ω负载时，输出980V电压，峰值电感电流达8.6A。

 

在2.54MHz开关频率下测得转换效率为99.02%(输入功率718.432W，输出功率711.407W)。当VIN=200.2V时，相同负载下输出522V，峰值电流4.44A，测得效率为97.8%。