高頻驅動電路與高效GaN HEMT電源模塊的實現

侯明金

?摘 要 功率器件柵極驅動電路是電源模塊的重要組成部分，在電源轉換和能量獲取領域起著關鍵的作用。功率器件柵極驅動電路被廣泛用于汽車電子、移動快充、通信基站等領域。柵極驅動電路作為電源模塊的基礎部分，其速度和功耗將直接影響電路的整體性能。為了滿足當前電源模塊高效大功率的要求，需要針對氮化鎵器件設計一款高頻驅動電路，并搭建形成高頻高效的電源模塊。本文設計了一款高頻驅動電路與GaN HEMT高效電源模塊，并測試平臺電路結構的可行性以及頻率、效率等特性。

關鍵詞 高頻驅動電路 電源模塊 GaN HEMT

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）05-0001-03

現階段，為了減小開關電源設備的體積，提高電源轉換效率，電源逐步向高功率密度、低損耗、高頻化方向發展，其中，高頻化對功率器件的驅動電路提出了新要求。傳統硅（Si）器件柵極驅動電路中包含耗能元件，高頻工作時，驅動損耗顯著增加，已成為限制開關電源發展的關鍵因數之一。寬禁帶功率半導體器件的應用，極大地促進了驅動電路技術的發展。寬禁帶器件具有導通電阻小、寄生參數小、工作頻率高的優點，在減小電源體積和提高效率方面具有顯著優勢。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[1]。

1 CaN器件驅動電路設計基本原則

Cascode型GaN器件是由一個常閉型低壓SiMO SFET和常開型高壓耗盡型GaN器件共源共柵而成。在進行高頻GaN驅動電路設計時需要著重考慮以下三個方面的因素：

1.驅動電壓的選擇：確保功率器件完全導通，降低由導通阻抗造成的能量損耗，同時避免由于功率器件柵源極電壓過低，驅動噪聲干擾造成功率器件誤導通。

2.柵極驅動電路設計：柵極驅動電路及參數的合理匹配，控制開通關斷速度，避免器件開通過快造成的振鈴或者開通過慢造成的功率損耗。

3.器件布局：優化功率器件及驅動電路布線，降低由印制電路板的寄生參數造成的影響[2]。

這里選取型號為TPH3206的高壓型GaN功率器件。其柵極電壓最大范圍為±18V，最低導通閾值典型值為2.1V。

選取驅動芯片SI8230，驅動電壓為10V。該芯片是一款大電流輸出隔離型驅動器，具有高瞬態電壓抑制（du/ck）能力，且具有死區配置電路，可根據外部配置電阻不同，設置不同的死區時間。

2 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 2DEG被耗盡時，半絕緣GaN緩沖層阻礙電流流通。GaN器件關斷時，需在柵極和源極之間施加負壓將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結構開發出了適用于高壓的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級聯的結構制備GaN器件。本文以 TP65H300G4LSG器件為例，研究一種適用于Cascode GaN的高頻驅動電路。

GaN 器件開關頻率可達到數十MHz，若沿用傳統耗能型驅動電路，會導致電源效率降低。因此，在高頻應用中，GaN驅動電路設計尤為重要，它將會直接影響器件的可靠性和穩定性。自GaN器件商用以來，研究者們就著手探尋低功耗、高可靠性的驅動電路。提出了常通型GaN HEMT 器件柵極諧振驅動電路，該類型器件正常情況下為常通狀態，極易造成短路故障。該振驅動電路不僅節能，還可以縮短電源啟動時間，但多諧振驅動波形為準方波，幅值波動大，而增強型 GaN器件驅動電壓范圍窄（通常最大電壓為6V），不利于諧振元件參數選取[3]。因此，GaN器件的高頻驅動電路仍具有研究價值。

3 典型的開關電源電路

高頻信號波形生成器產生方波信號;固定死區模塊控制驅動波形不同時為高，并產生固定死區時間;電平搬移模塊提升驅動波形的電平。

典型開關電源電路工作流程如下：高頻信號波形生成器輸出方波信號，經過固定死區時間模塊分為兩支信號，分別記為P1、P2;其中P1用于控制下管的通斷;P2波形進入電平搬移模塊，將波形高電平搬移后用于上管的驅動;通過VH、VL波形的控制，輸出節點VSW信號頻率與PWM波形頻率一致，經過濾波模塊產生直流電平VO信號。

傳統驅動方式會引起器件的意外開啟。當下管導通時，VSW電位迅速被拉到零電平，柵極電壓VH也會隨之被拉到零電平。由于柵極電壓VH滯后于VSW電壓到達零電平，使得上管器件的VGS產生瞬間的高電平，導致上管意外開啟。此時可能使上管和下管同時打開，產生部分損耗。針對此現象，本電路后續版本將進行優化[4]。

功率器件自身的特性很大程度上決定了系統性能的上限。由于傳統功率器件具有寄生的PN結，當驅動波形處于死區狀態時體二極管會導通，出現反向導通電流，使電路功耗增加。傳統功率器件自身導通電阻和寄生電容較大，造成的導通損耗和輸出電容損耗也很大。傳統功率器件的電子遷移率以及電壓工作范圍有限，限制了傳統功率器件在高頻、高壓領域的發展[5]。

4 GaN HEMT電源技術研究

4.1 HEMT簡介

隨著高頻無線通訊產業的發展，同時滿足特殊領域的發展，因此對具備高速、高壓、高頻、耐高溫、耐腐蝕等特性的晶體管需求越來越迫切，從而使具備這些特性的器件即高電子遷移率晶體管（High Electron Mobility Transistor HEMT）得到廣泛研究和發展。526279FE-C937-42EB-BC49-6A99675E9A92

在HEMT器件中，由于異質結接觸兩種半導體的禁帶寬度不同，電子會從寬禁帶半導體流向窄禁帶半導體中，從而在半導體界面的窄禁帶半導體一側形成量子阱。當寬禁帶半導體的摻雜濃度較高，異質結間的導帶差較大時，會形成很高的勢壘，限制量子阱中的自由電子在垂直異質結接觸面方向的移動，故稱這個量子阱為二維電子氣（2 Dimensional Electron Gas）。2-DEG就是HEMT中的溝道，由于溝道所在的窄禁帶半導體通常是不摻雜的，溝道中的自由移動電子遠離摻雜的寬禁帶半導體中電離雜質的散射，載流子能獲得很高的電子遷移率。

4.2 GaN基器件

第三代半導體材料，即禁帶寬度大于2.2eV的寬禁帶半導體材料，包括CdS（2.42eV）、SiC（3.2eV）、ZnO （3.32eV）、GaN（3.42eV）、ZnS（3.68eV）、金剛石（5.45V）、AIN（6.20eV）等。在電子器件方面，對SiC和GaN的研究相對比較成熟，GaN材料擁有電子飽和遷移率很大，并且化學性質很穩定，有很高的擊穿電壓以及更高的電流能力等特點。

4.3 GaN基器件的結構

AlGaN/GaN HEMT基本層結構由緩沖層、GaN溝道層、本征AlGaN隔離層和摻雜AlGaN層組成。為提高器件的擊穿特性，降低柵漏電流，還可在摻雜層上再生長帽層，可由非摻雜的GaN或AlGaN組成。AlGaN摻雜層A1組分一般為0.15至0.3，摻雜濃度范圍一般為1018cm-3至2×1019cm-3。其基底材料主要有藍寶石、SiC、Si這三種，藍寶石成本比較低，散熱性能良好，但與GaNg界面處會有的晶格失配，影響器件性能;SiC具有良好散熱性能和化學穩定性，并且與GaN有較小的晶格失配，但是成本高昂;而Side雖然散熱等性能沒那么良好，但是其成本低廉，并且可以做到很大尺寸。目前常用的基底材料一般是藍寶石或者SiC。

4.4 GaN和AlGaN的極化效應

所謂“極化現象”是由于III-V族復合半導體中離子鍵和共價鍵同時存在，離子鍵的電子并不完全通用。在離子鍵的影響下，V族原子吸收電子。它比III族原子大，這使得電子與V族原子的鍵合更強。電子云密度越高，該基團越靠近V族原子，而電子越靠近受限離子之間的線的中心，云密度離子鍵幾乎為零。

對于離子半導體，當晶格變形時，正負離子核之間會發生偏轉，導致半導體產生電場。由于基團的強離子性，這就是所謂的“壓電效應”。氮化物III族壓電系數遠大于其他化合物，其方向與其他化合物相反。此外，由于纖鋅礦結構的對稱性低，III族氮化物如果不受外力變形，也會產生極化效應，稱為自發極化。AlGaN/GaN HEMT 中的極化由兩種極化組成：PPE壓電極化和PsP 自發極化。對于GaN和AlGaN，極化效應與生長過程有關，生長過程的差異會導致Ga面極化和N面極化方向相反的兩種形式。MOCVD生長的AlGaN/GaN HEMT屬于Ga板的極化方向，從Ga原子到相鄰的N原子極化方向。

5 氮化鎵高頻高效電源模塊

5.1 氮化鎵高頻高效電源模塊

本文研究的氮化鎵高頻高效電源模塊。整體電路由高頻驅動電路和功率輸出級組成。死區最小化處理電路和非重疊模塊以及電平搬移模塊共同組成了高頻驅動電路。

本模塊集成死區時間調節與非重疊模塊于一體。非重疊功能能夠嚴格控制高側功率管和低側功率管驅動信號不同時輸出高電平，這樣可以防止兩個功率器件同時開啟，能夠有效抑制大電流直通現象。死區時間調節功能能夠將驅動波形同時為低電平的時間減小，提高整個周期內電源系統的轉換效率。

5.2 GaN電源模塊的高頻驅動電路

該模塊由可調數字電容電阻延遲陣列模塊、電壓偏置生成電路與高速比較器處理模塊組成。利用納秒級別的快速比較器實現兆赫茲頻率的非重疊信號處理。

電路工作原理如下：偏置電壓生成電路產生兩路參考電平作為高速比較器的基準信號，分別記為VREF1、VREF2。PWM波經過可調數字電容電阻陣列將上升沿和下降沿微調后，產生PIN信號連接到兩個比較器中。比較器COMP1將高頻方波作為正端輸入信號，電平VREF1為負端輸入信號，若方波信號高于參考電平時輸出為高電平;反之，為低電平[6]。

電路通過調節偏置電壓模塊產生不同的參考電平，能夠有效控制高低兩側驅動波形的非重疊效應和死區時間。P1信號的上升沿和下降沿均向外拓展，P2信號的上升沿和下降沿均向內收縮，但是P1的上升沿始終遲于P2的下降沿;P2的上升沿始終遲于P2的下降沿。由于VREF1比VREF2高且始終存在一個微小的壓差ΔV，因此P1和P2的波形也不會出現同時為高電平的現象，即電路波形是非重疊的;由于兩個參考電平的壓差很小，則輸出的P1和P2的死區時間也會減小。

5.3 GaN電源模塊的功率輸出級

氮化鎵器件相較于傳統功率器件具有諸多優勢。氮化鎵具有更低的導通電阻，更小的輸入電容，產生更少的導通損耗;氮化鎵器件的高頻特性和高壓特性優于其他類型器件，具有更廣闊的應用范圍;氮化鎵晶體管通過不同材料形成的二維電子氣（2DEG）來導電，因此不存在硅基器件的體二極管反向恢復問題;氮化鎵功率器件可以實現較高的壓擺率，因此可以比傳統器件更快地進行頻率轉換。

氮化鎵器件主要分為兩種：具有隔離柵極結構的氮化鎵器件和具有柵極注入技術的氮化鎵器件。后者的柵極結構具有箝位行為的優點，可以防止柵極過沖。本文采用的氮化鎵器件是增強型NMOS器件，易于驅動電路的搭建。

6 結語

綜上所述，基于AlGaN/GaN異質結材料制造的高電子遷移率晶體管（HEMT）因其具有高的飽和漂移速度、大的導帶不連續性以及強的自發極化和壓電極化效應，成為大功率、高溫、高頻應用中具有發展潛力的器件。特別是在大功率應用方面，GaN基HEMT比GaAs基HEMT和Si基LDMOS表現出更優越的器件性能而成為目前國際研究熱點。

參考文獻：

[1] 岳改麗，向付偉，李忠.CascodeGaN高電子遷移率晶體管高頻驅動電路及損耗分析[J/OL].電工技術學報，2021-09-13：1-10.https：//doi.org/10.19595/j.cnki.1000-67 53.tces.210243.

[2] 張晉梅，田世野，申惠琪，等.一種適用于常開型功率器件的新型諧振門極驅動電路設計[J].電氣傳動，2021，51（16）：10-15.

[3] 張馳.基于GaN HEMT器件的新能源電動汽車車載充電器的研究與設計[D].陜西科技大學，2021.

[4] 周德金，何寧業，寧仁霞，等.GaN HEMT柵驅動技術研究進展[J].電子與封裝，2021，21（02）：41-52.

[5] 藺天宇.用于增強型GaN HEMT功率器件的驅動電路設計[D].北京工業大學，2020.

[6] 張志文.高頻GaN智能柵驅動電路關鍵技術研究[D].電子科技大學，2020.526279FE-C937-42EB-BC49-6A99675E9A92