GaN MOSFET高效諧振驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及損耗分析

高圣偉，蘇 佳，劉曉明，李龍女

（天津工業(yè)大學(xué) 電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

寬禁帶半導(dǎo)體GaN是第三代功率器件的理想材料，是功率變換器的主要部分，使功率變換器朝著高頻、高功率密度以及更小的1體積方向發(fā)展.在擁有更快開關(guān)速度的同時(shí)，由于功率損耗與頻率是成比例增加的，因此在高頻下，功率損耗是最主要的問題，在開關(guān)頻率較高時(shí)，開關(guān)損耗是功率損耗的主要因素.國(guó)內(nèi)外學(xué)者為實(shí)現(xiàn)門極驅(qū)動(dòng)電路低功耗做了大量的研究工作.文獻(xiàn)[1]中提到，當(dāng)GaN MOSFET應(yīng)用于高頻時(shí)，傳統(tǒng)的門極驅(qū)動(dòng)電路不能滿足低功耗的要求，功率損耗與頻率會(huì)成比例地增加.文獻(xiàn)[2-4]詳細(xì)分析了各部分的損耗情況.GaN MOSFET的門極閾值電壓很低，在1.4～1.7 V范圍內(nèi)，很容易由電路中的寄生電感產(chǎn)生的振蕩尖峰使其誤導(dǎo)通.文獻(xiàn)[5]給出了GaN高頻諧振門極驅(qū)動(dòng)電路，使用軟開關(guān)技術(shù)來(lái)減小開關(guān)損耗.文獻(xiàn) [6-9]介紹了高頻驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)以及應(yīng)用.文獻(xiàn)[9-12]給出了不同的諧振門極驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).為了適應(yīng)未來(lái)的發(fā)展需求，變換器必須要提高效率和功率密度，滿足低損耗的特點(diǎn)，但是目前GaN驅(qū)動(dòng)電路的功率損耗仍然比較高[13]，因此提出一種低功耗的新型門極驅(qū)動(dòng)電路具有重要意義.

針對(duì)目前驅(qū)動(dòng)電路的高功率損耗問題，本文對(duì)門極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行研究，并詳細(xì)分析其原理.對(duì)比傳統(tǒng)門極驅(qū)動(dòng)電路和諧振門極驅(qū)動(dòng)電路，并提出一種新型諧振門極驅(qū)動(dòng)電路，分別計(jì)算3種電路的功率損耗.

1 傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路與諧振驅(qū)動(dòng)電路

傳統(tǒng)的門極驅(qū)動(dòng)電路由于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因而廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)MOSFET.市場(chǎng)上大多數(shù)的驅(qū)動(dòng)芯片的輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)也是傳統(tǒng)的硬開關(guān)模式，如IR2110、NI的LM51系列.但是傳統(tǒng)的門極驅(qū)動(dòng)電路有一個(gè)致命的缺陷，即在高頻下會(huì)增加功率損耗，開關(guān)速度變慢[14].圖1給出了針對(duì)常開器件的傳統(tǒng)門極驅(qū)動(dòng)電路.圖1中，紅色框中的器件為GaN MOSFET，S1和S2為輔助開關(guān)管，Ciss是輸入電容.C的值要遠(yuǎn)大于輸入電容Ciss，所以在GaN MOSFET關(guān)斷過(guò)程中，C相當(dāng)于一個(gè)恒壓源.

圖1 傳統(tǒng)門極驅(qū)動(dòng)電路Fig.1 Traditional gate drive circuit

首先輔助開關(guān)管兩端電壓V提供的能量為：

因驅(qū)動(dòng)電流ig與門極總電荷量Q有如下關(guān)系：

合并公式（1）、（2），則功率損耗可以由下式計(jì)算：

式中：V代表門極峰值電壓；fs代表開關(guān)頻率.

從式（3）中可以看出，功率損耗與開關(guān)頻率成正比[15-17].因此，在高頻情況下，傳統(tǒng)的門極驅(qū)動(dòng)電路無(wú)法滿足低功耗的要求.文獻(xiàn)[9]提出一種諧振門極驅(qū)動(dòng)電路.利用LC諧振的原理，在GaN MOSFET關(guān)斷的過(guò)程中，通過(guò)電感L將輸入電容Ciss中的能量反饋到電壓源當(dāng)中，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的有效利用，減小損耗[17].其電路結(jié)構(gòu)和主要波形如圖2所示.

輔助開關(guān)管的輸出經(jīng)電感L連接到GaN MOSFET的門極，輔助開關(guān)管采用“推挽式”結(jié)構(gòu)輸出.當(dāng)S1開通時(shí)，S2截止，VDD通過(guò)S1和L給電容Ciss充電，GaN MOSFET導(dǎo)通，門極電壓Vgs的值為VDD+VD1；當(dāng)S1截止時(shí)，S2導(dǎo)通，電容Ciss放電，GaN MOSFET關(guān)斷.如果增加輔助開關(guān)管S1的導(dǎo)通時(shí)間，電感L上的電流會(huì)通過(guò)二極管D1續(xù)流，iL緩慢減小，在此過(guò)程中產(chǎn)生環(huán)流損耗.

圖2 門極驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)與開關(guān)波形Fig.2 Structure and switching waveform of gate drive circuit

2 新型諧振門極驅(qū)動(dòng)電路

由于圖2所示的門極諧振驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電流是從零開始增加的，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)速度較慢.如果不能準(zhǔn)確控制輔助開關(guān)管的控制信號(hào)，電路中也會(huì)增加環(huán)流損耗[18].因此，提出一種新型諧振門極驅(qū)動(dòng)電路，如圖3所示.充電和放電采用不同的回路，具備提供不對(duì)稱輸出的能力.同時(shí)，在GaN MOSFET的漏極處加入無(wú)損緩沖電路，通過(guò)電容C1來(lái)減緩電壓的上升速度，并且電容中的能量不會(huì)被消耗掉，避免了能量的損失.

圖3 新型諧振門極驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Structure and switching waveform of gate drive circuit

根據(jù)GaN數(shù)據(jù)手冊(cè)顯示，GaN MOSFET的驅(qū)動(dòng)電壓為6 V.在輔助開關(guān)管Q1/Q2開斷的過(guò)程中，諧振電感L1/L2與外部輸入電容Ci以及電阻R1/R2組成LCR諧振回路.其開通和關(guān)斷過(guò)程的電壓電流曲線如圖4所示.

圖4 GaN MOSFET開關(guān)過(guò)程Fig.4 Switching transitions of GaN MOSFET

2.1 GaN MOSFET的開通過(guò)程

當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時(shí)，充電回路為Q1-D1-L1-R1-Ci，門極電壓逐漸上升，GaN MOSFET導(dǎo)通，其開通過(guò)程如圖4（a）所示[18].

LCR構(gòu)成諧振回路，當(dāng)電流上升到峰值時(shí)，二極管D1電壓反偏，阻止電流繼續(xù)增大，并將門極電壓鉗位在最大值，忽略二極管上的電壓降，由基爾霍夫電壓定律可得：

根據(jù)電容和電感的特性，上式可改寫為：

式中：電容C指的是外部電容Ci，因?yàn)镃i比門極電容Ciss大得多，所以可以忽略門極電容.又因?yàn)椋?/p>

式中：K1、K2均為常數(shù)，由初值和邊界條件確定；ω1為諧振頻率，可由下式表示：

從圖4可以看出，電容電壓VC的初值為最小值Vn.邊界條件為當(dāng)t=0和t1時(shí)，電流值為零.根據(jù)初值和邊界條件可以得到K1=0，K2=Vn-VDD，綜合以上各式，可得到門極電壓如公式（8）所示，當(dāng) cos（ω1t）=-1時(shí)得到最大值VP.

2.2 GaN MOSFET的關(guān)斷過(guò)程

關(guān)斷過(guò)程經(jīng)放電回路Ci-R2-L2-D2-Q2完成，回路總電壓應(yīng)該為0，與開通過(guò)程相反.所以放電回路電壓滿足以下方程：

類似于開通過(guò)程，二極管D2的管壓降可忽略，（9）式可以改寫成為：

式中：K1、K2由邊界條件確定；ω2為諧振頻率，其值為：

綜合上式，可以得到：

為了確定諧振電感的值，在開通和關(guān)斷過(guò)程中分別定義2個(gè)參數(shù)A和B[19-20].

根據(jù)公式（14）、（15）可以計(jì)算出諧振電感的值：

由于在關(guān)斷過(guò)程中電路處于斷路狀態(tài)，因此，新型諧振門極驅(qū)動(dòng)電路的門極損耗可由式（18）表示：

又因?yàn)椋?/p>

根據(jù)開斷過(guò)程的曲線圖可知：

綜合以上各式，可得到功率表達(dá)式：

3 結(jié)果分析

3.1 仿真分析

針對(duì)以上諧振門極驅(qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，用LT spice軟件進(jìn)行仿真.輔助開關(guān)管選取Si MOSFET，GaN MOSFET的型號(hào)為GS66502B，二極管選取肖特基二極管，驅(qū)動(dòng)電壓為15 V.圖5所示為諧振門極驅(qū)動(dòng)電路中GaN MOSFET的門極驅(qū)動(dòng)波形.從圖5中可以看出，門極驅(qū)動(dòng)電壓為6 V，負(fù)壓部分為二極管D2的壓降值，約為0.4 V.

圖5 諧振門極驅(qū)動(dòng)電路波形Fig.5 Waveform of resonant gate drive circuit

圖6所示為新型諧振門極驅(qū)動(dòng)電路在開關(guān)頻率為500 kHz下的仿真波形，在GaN MOSFET開斷過(guò)程中，上升時(shí)間和下降時(shí)間均為40 ns.從圖6中可以看出，只要準(zhǔn)確控制輔助開關(guān)管Q1、Q2的控制信號(hào)，在開通過(guò)程中，電感就會(huì)與門極輸入電容發(fā)生諧振，但是驅(qū)動(dòng)電流是從零開始的，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)速度較慢.加入無(wú)損緩沖電路后，門極的電壓和電流波形得到了明顯改善，電壓和電流的上升速度變緩，減小了電流尖峰，實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān).同時(shí)，緩沖電路也減小了GaN MOSFET的平均損耗，電壓和電流尖峰也在其安全值7 V與10 A之內(nèi)，防止了二次擊穿.

圖6 新型諧振門極驅(qū)動(dòng)電路波形Fig.6 Waveform of new type of resonant gate drive circuit

根據(jù)圖5和圖6計(jì)算出各部分損耗的具體數(shù)值，如表1所示.

表1 不同驅(qū)動(dòng)的損耗對(duì)比Tab.1 Loss comparison of different drive

表1中，3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的二極管和輔助開關(guān)管均選取同種型號(hào)，本文只考慮驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通損耗、輔助開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)損耗以及開關(guān)損耗.由于諧振門極驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，因此忽略其開關(guān)損耗.

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可得，傳統(tǒng)門極驅(qū)動(dòng)的總損耗為0.64 W，諧振門極驅(qū)動(dòng)電路的總損耗為0.442 W，而新型諧振門極驅(qū)動(dòng)電路的總損耗為0.284 4 W.新型諧振驅(qū)動(dòng)電路的門極損耗比傳統(tǒng)GaN MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的損耗減小了55.56%，比普通諧振驅(qū)動(dòng)電路的門極損耗減小了35.66%，因此新型諧振門極驅(qū)動(dòng)電路更適用于GaN MOSFET.

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

本文將新型諧振門極驅(qū)動(dòng)電路用于DC/DC變換器中，測(cè)試驅(qū)動(dòng)電路的性能.選取開關(guān)頻率500 kHz，輸出電壓為75 V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.圖8、圖9分別為GaN MOSFET的開通和關(guān)斷過(guò)程.

圖7 實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveform

圖8 GaN MOSFET的開通過(guò)程Fig.8 Turn-on transition of GaN MOSFET

從圖中可以看出，GaN門極驅(qū)動(dòng)電壓為6 V，頻率為494.8 kHz，受電路中寄生參數(shù)的影響，在開通過(guò)程中有輕微振蕩，驅(qū)動(dòng)電壓尖峰為7.6 V，輸出電壓尖峰為77 V.在關(guān)斷過(guò)程中，波形較為理想，但是關(guān)斷速度要比開通速度慢.由公式（18）-（22）計(jì)算可得，驅(qū)動(dòng)損耗為0.021 7 W，總損耗為0.301 5 W，與開關(guān)頻率為500 kHz下的仿真結(jié)果相比存在6%的誤差.

圖9 GaN MOSFET的關(guān)斷過(guò)程Fig.9 Turn-off transition of GaN MOSFET

4 結(jié) 論

本文從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理以及功率損耗等方面對(duì)比分析了傳統(tǒng)門極驅(qū)動(dòng)電路與諧振門極驅(qū)動(dòng)電路，提出一種適用于GaN MOSFET的新型諧振門極驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該驅(qū)動(dòng)電路的性能，加入的無(wú)損緩沖電路能夠減緩電壓和電流的上升速率，明顯減小了電壓和電流尖峰，并且不會(huì)產(chǎn)生損耗.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：GaN MOSFET開通和關(guān)斷的時(shí)間分別為12 ns和16 ns，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的快速開斷；新型諧振驅(qū)動(dòng)電路的門極損耗比傳統(tǒng)GaN MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的損耗減小了55.56%，比普通諧振驅(qū)動(dòng)電路的門極損耗減小了35.66%，因此新型諧振門極驅(qū)動(dòng)電路更適用于GaN MOSFET.