高頻驅(qū)動(dòng)電路與高效GaN HEMT電源模塊的實(shí)現(xiàn)

侯明金

?摘 要 功率器件柵極驅(qū)動(dòng)電路是電源模塊的重要組成部分，在電源轉(zhuǎn)換和能量獲取領(lǐng)域起著關(guān)鍵的作用。功率器件柵極驅(qū)動(dòng)電路被廣泛用于汽車電子、移動(dòng)快充、通信基站等領(lǐng)域。柵極驅(qū)動(dòng)電路作為電源模塊的基礎(chǔ)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(dāng)前電源模塊高效大功率的要求，需要針對(duì)氮化鎵器件設(shè)計(jì)一款高頻驅(qū)動(dòng)電路，并搭建形成高頻高效的電源模塊。本文設(shè)計(jì)了一款高頻驅(qū)動(dòng)電路與GaN HEMT高效電源模塊，并測(cè)試平臺(tái)電路結(jié)構(gòu)的可行性以及頻率、效率等特性。

關(guān)鍵詞 高頻驅(qū)動(dòng)電路 電源模塊 GaN HEMT

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2022）05-0001-03

現(xiàn)階段，為了減小開(kāi)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(duì)功率器件的驅(qū)動(dòng)電路提出了新要求。傳統(tǒng)硅（Si）器件柵極驅(qū)動(dòng)電路中包含耗能元件，高頻工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)損耗顯著增加，已成為限制開(kāi)關(guān)電源發(fā)展的關(guān)鍵因數(shù)之一。寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了驅(qū)動(dòng)電路技術(shù)的發(fā)展。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(diǎn)，在減小電源體積和提高效率方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。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(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)基本原則

Cascode型GaN器件是由一個(gè)常閉型低壓SiMO SFET和常開(kāi)型高壓耗盡型GaN器件共源共柵而成。在進(jìn)行高頻GaN驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮以下三個(gè)方面的因素：

1.驅(qū)動(dòng)電壓的選擇：確保功率器件完全導(dǎo)通，降低由導(dǎo)通阻抗造成的能量損耗，同時(shí)避免由于功率器件柵源極電壓過(guò)低，驅(qū)動(dòng)噪聲干擾造成功率器件誤導(dǎo)通。

2.柵極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)：柵極驅(qū)動(dòng)電路及參數(shù)的合理匹配，控制開(kāi)通關(guān)斷速度，避免器件開(kāi)通過(guò)快造成的振鈴或者開(kāi)通過(guò)慢造成的功率損耗。

3.器件布局：優(yōu)化功率器件及驅(qū)動(dòng)電路布線，降低由印制電路板的寄生參數(shù)造成的影響[2]。

這里選取型號(hào)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(dǎo)通閾值典型值為2.1V。

選取驅(qū)動(dòng)芯片SI8230，驅(qū)動(dòng)電壓為10V。該芯片是一款大電流輸出隔離型驅(qū)動(dòng)器，具有高瞬態(tài)電壓抑制（du/ck）能力，且具有死區(qū)配置電路，可根據(jù)外部配置電阻不同，設(shè)置不同的死區(qū)時(shí)間。

2 Cascode GaN HEMT原理

GaN是橫向器件，漏極和源極穿過(guò)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(shí)，半絕緣GaN緩沖層阻礙電流流通。GaN器件關(guān)斷時(shí)，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(wèn)題，已有公司采用Cascode結(jié)構(gòu)開(kāi)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(jí)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(dòng)電路。

GaN 器件開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到數(shù)十MHz，若沿用傳統(tǒng)耗能型驅(qū)動(dòng)電路，會(huì)導(dǎo)致電源效率降低。因此，在高頻應(yīng)用中，GaN驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)尤為重要，它將會(huì)直接影響器件的可靠性和穩(wěn)定性。自GaN器件商用以來(lái)，研究者們就著手探尋低功耗、高可靠性的驅(qū)動(dòng)電路。提出了常通型GaN HEMT 器件柵極諧振驅(qū)動(dòng)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。該振驅(qū)動(dòng)電路不僅節(jié)能，還可以縮短電源啟動(dòng)時(shí)間，但多諧振驅(qū)動(dòng)波形為準(zhǔn)方波，幅值波動(dòng)大，而增強(qiáng)型 GaN器件驅(qū)動(dòng)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[3]。因此，GaN器件的高頻驅(qū)動(dòng)電路仍具有研究?jī)r(jià)值。

3 典型的開(kāi)關(guān)電源電路

高頻信號(hào)波形生成器產(chǎn)生方波信號(hào);固定死區(qū)模塊控制驅(qū)動(dòng)波形不同時(shí)為高，并產(chǎn)生固定死區(qū)時(shí)間;電平搬移模塊提升驅(qū)動(dòng)波形的電平。

典型開(kāi)關(guān)電源電路工作流程如下：高頻信號(hào)波形生成器輸出方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)固定死區(qū)時(shí)間模塊分為兩支信號(hào)，分別記為P1、P2;其中P1用于控制下管的通斷;P2波形進(jìn)入電平搬移模塊，將波形高電平搬移后用于上管的驅(qū)動(dòng);通過(guò)VH、VL波形的控制，輸出節(jié)點(diǎn)VSW信號(hào)頻率與PWM波形頻率一致，經(jīng)過(guò)濾波模塊產(chǎn)生直流電平VO信號(hào)。

傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式會(huì)引起器件的意外開(kāi)啟。當(dāng)下管導(dǎo)通時(shí)，VSW電位迅速被拉到零電平，柵極電壓VH也會(huì)隨之被拉到零電平。由于柵極電壓VH滯后于VSW電壓到達(dá)零電平，使得上管器件的VGS產(chǎn)生瞬間的高電平，導(dǎo)致上管意外開(kāi)啟。此時(shí)可能使上管和下管同時(shí)打開(kāi)，產(chǎn)生部分損耗。針對(duì)此現(xiàn)象，本電路后續(xù)版本將進(jìn)行優(yōu)化[4]。

功率器件自身的特性很大程度上決定了系統(tǒng)性能的上限。由于傳統(tǒng)功率器件具有寄生的PN結(jié)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)波形處于死區(qū)狀態(tài)時(shí)體二極管會(huì)導(dǎo)通，出現(xiàn)反向?qū)娏?，使電路功耗增加。傳統(tǒng)功率器件自身導(dǎo)通電阻和寄生電容較大，造成的導(dǎo)通損耗和輸出電容損耗也很大。傳統(tǒng)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(tǒng)功率器件在高頻、高壓領(lǐng)域的發(fā)展[5]。

4 GaN HEMT電源技術(shù)研究

4.1 HEMT簡(jiǎn)介

隨著高頻無(wú)線通訊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)滿足特殊領(lǐng)域的發(fā)展，因此對(duì)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(lái)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(fā)展。526279FE-C937-42EB-BC49-6A99675E9A92

在HEMT器件中，由于異質(zhì)結(jié)接觸兩種半導(dǎo)體的禁帶寬度不同，電子會(huì)從寬禁帶半導(dǎo)體流向窄禁帶半導(dǎo)體中，從而在半導(dǎo)體界面的窄禁帶半導(dǎo)體一側(cè)形成量子阱。當(dāng)寬禁帶半導(dǎo)體的摻雜濃度較高，異質(zhì)結(jié)間的導(dǎo)帶差較大時(shí)，會(huì)形成很高的勢(shì)壘，限制量子阱中的自由電子在垂直異質(zhì)結(jié)接觸面方向的移動(dòng)，故稱這個(gè)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(dǎo)體通常是不摻雜的，溝道中的自由移動(dòng)電子遠(yuǎn)離摻雜的寬禁帶半導(dǎo)體中電離雜質(zhì)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(dǎo)體材料，即禁帶寬度大于2.2eV的寬禁帶半導(dǎo)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(duì)SiC和GaN的研究相對(duì)比較成熟，GaN材料擁有電子飽和遷移率很大，并且化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定，有很高的擊穿電壓以及更高的電流能力等特點(diǎn)。

4.3 GaN基器件的結(jié)構(gòu)

AlGaN/GaN HEMT基本層結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(lán)寶石、SiC、Si這三種，藍(lán)寶石成本比較低，散熱性能良好，但與GaNg界面處會(huì)有的晶格失配，影響器件性能;SiC具有良好散熱性能和化學(xué)穩(wěn)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(méi)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(lán)寶石或者SiC。

4.4 GaN和AlGaN的極化效應(yīng)

所謂“極化現(xiàn)象”是由于III-V族復(fù)合半導(dǎo)體中離子鍵和共價(jià)鍵同時(shí)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(qiáng)。電子云密度越高，該基團(tuán)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(duì)于離子半導(dǎo)體，當(dāng)晶格變形時(shí)，正負(fù)離子核之間會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)生電場(chǎng)。由于基團(tuán)的強(qiáng)離子性，這就是所謂的“壓電效應(yīng)”。氮化物III族壓電系數(shù)遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)的對(duì)稱性低，III族氮化物如果不受外力變形，也會(huì)產(chǎn)生極化效應(yīng)，稱為自發(fā)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(fā)極化。對(duì)于GaN和AlGaN，極化效應(yīng)與生長(zhǎng)過(guò)程有關(guān)，生長(zhǎng)過(guò)程的差異會(huì)導(dǎo)致Ga面極化和N面極化方向相反的兩種形式。MOCVD生長(zhǎng)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(qū)動(dòng)電路和功率輸出級(jí)組成。死區(qū)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(qū)動(dòng)電路。

本模塊集成死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)與非重疊模塊于一體。非重疊功能能夠嚴(yán)格控制高側(cè)功率管和低側(cè)功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)不同時(shí)輸出高電平，這樣可以防止兩個(gè)功率器件同時(shí)開(kāi)啟，能夠有效抑制大電流直通現(xiàn)象。死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)功能能夠?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)波形同時(shí)為低電平的時(shí)間減小，提高整個(gè)周期內(nèi)電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

5.2 GaN電源模塊的高頻驅(qū)動(dòng)電路

該模塊由可調(diào)數(shù)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(jí)別的快速比較器實(shí)現(xiàn)兆赫茲頻率的非重疊信號(hào)處理。

電路工作原理如下：偏置電壓生成電路產(chǎn)生兩路參考電平作為高速比較器的基準(zhǔn)信號(hào)，分別記為VREF1、VREF2。PWM波經(jīng)過(guò)可調(diào)數(shù)字電容電阻陣列將上升沿和下降沿微調(diào)后，產(chǎn)生PIN信號(hào)連接到兩個(gè)比較器中。比較器COMP1將高頻方波作為正端輸入信號(hào)，電平VREF1為負(fù)端輸入信號(hào)，若方波信號(hào)高于參考電平時(shí)輸出為高電平;反之，為低電平[6]。

電路通過(guò)調(diào)節(jié)偏置電壓模塊產(chǎn)生不同的參考電平，能夠有效控制高低兩側(cè)驅(qū)動(dòng)波形的非重疊效應(yīng)和死區(qū)時(shí)間。P1信號(hào)的上升沿和下降沿均向外拓展，P2信號(hào)的上升沿和下降沿均向內(nèi)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(gè)微小的壓差ΔV，因此P1和P2的波形也不會(huì)出現(xiàn)同時(shí)為高電平的現(xiàn)象，即電路波形是非重疊的;由于兩個(gè)參考電平的壓差很小，則輸出的P1和P2的死區(qū)時(shí)間也會(huì)減小。

5.3 GaN電源模塊的功率輸出級(jí)

氮化鎵器件相較于傳統(tǒng)功率器件具有諸多優(yōu)勢(shì)。氮化鎵具有更低的導(dǎo)通電阻，更小的輸入電容，產(chǎn)生更少的導(dǎo)通損耗;氮化鎵器件的高頻特性和高壓特性優(yōu)于其他類型器件，具有更廣闊的應(yīng)用范圍;氮化鎵晶體管通過(guò)不同材料形成的二維電子氣（2DEG）來(lái)導(dǎo)電，因此不存在硅基器件的體二極管反向恢復(fù)問(wèn)題;氮化鎵功率器件可以實(shí)現(xiàn)較高的壓擺率，因此可以比傳統(tǒng)器件更快地進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。

氮化鎵器件主要分為兩種：具有隔離柵極結(jié)構(gòu)的氮化鎵器件和具有柵極注入技術(shù)的氮化鎵器件。后者的柵極結(jié)構(gòu)具有箝位行為的優(yōu)點(diǎn)，可以防止柵極過(guò)沖。本文采用的氮化鎵器件是增強(qiáng)型NMOS器件，易于驅(qū)動(dòng)電路的搭建。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)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(dǎo)帶不連續(xù)性以及強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，成為大功率、高溫、高頻應(yīng)用中具有發(fā)展?jié)摿Φ钠骷?。特別是在大功率應(yīng)用方面，GaN基HEMT比GaAs基HEMT和Si基LDMOS表現(xiàn)出更優(yōu)越的器件性能而成為目前國(guó)際研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 岳改麗，向付偉，李忠.CascodeGaN高電子遷移率晶體管高頻驅(qū)動(dòng)電路及損耗分析[J/OL].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，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(kāi)型功率器件的新型諧振門極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng)，2021，51（16）：10-15.

[3] 張馳.基于GaN HEMT器件的新能源電動(dòng)汽車車載充電器的研究與設(shè)計(jì)[D].陜西科技大學(xué)，2021.

[4] 周德金，何寧業(yè)，寧仁霞，等.GaN HEMT柵驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究進(jìn)展[J].電子與封裝，2021，21（02）：41-52.

[5] 藺天宇.用于增強(qiáng)型GaN HEMT功率器件的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[D].北京工業(yè)大學(xué)，2020.

[6] 張志文.高頻GaN智能柵驅(qū)動(dòng)電路關(guān)鍵技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué)，2020.526279FE-C937-42EB-BC49-6A99675E9A92