對(duì)于碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)等寬禁帶(WBG)功率器件而言，優(yōu)化的柵極驅(qū)動(dòng)尤為重要。此類轉(zhuǎn)換器的快速開關(guān)需仔細(xì)考量寄生參數(shù)、過沖/欠沖現(xiàn)象以及功率損耗最小化問題，而驅(qū)動(dòng)電路在這些方面都起著關(guān)鍵作用。

本文介紹了一種用于碳化硅升壓轉(zhuǎn)換器的氮化鎵諧振柵極驅(qū)動(dòng)器。該方案不僅能實(shí)現(xiàn)高效率，還能在高開關(guān)頻率下保持良好控制的開關(guān)轉(zhuǎn)換特性。

諧振柵極驅(qū)動(dòng)器原理

轉(zhuǎn)換器中的主要功率損耗可分為三大類：

導(dǎo)通損耗(PCON)：取決于導(dǎo)通電流(Ion)和導(dǎo)通電阻(RDSON)

開關(guān)損耗(PSW)和直通損耗(PSHOOT)：與轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(軟/硬開關(guān))、器件及電路寄生參數(shù)、開關(guān)轉(zhuǎn)換速率、頻率、死區(qū)時(shí)間控制等因素相關(guān)

柵極驅(qū)動(dòng)損耗(PGATE)：在傳統(tǒng)電壓源柵極驅(qū)動(dòng)中，此項(xiàng)損耗又稱CV2損耗，表現(xiàn)為開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中柵極電阻(RG)和柵極驅(qū)動(dòng)晶體管導(dǎo)通電阻上的功率損耗

計(jì)算公式為：PGATE = CISS × VDRIVE × fsw

其中CISS是功率器件的輸入電容(CGS柵源電容與CGD米勒電容之和)，VDRIVE為柵極驅(qū)動(dòng)凈電壓(VGS(ON)-VGS(OFF))，fsw為開關(guān)頻率。

柵極驅(qū)動(dòng)損耗在低功率條件(此時(shí)導(dǎo)通損耗占比較小)和軟開關(guān)工況(相比硬開關(guān)可降低開關(guān)損耗)下可能占據(jù)總損耗的很大比重。例如在10W硅MOSFET同步降壓轉(zhuǎn)換器中，1MHz工作時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)損耗可使總效率降低15%以上。

諧振柵極驅(qū)動(dòng)器通過構(gòu)建電流源來驅(qū)動(dòng)功率器件，利用功率FET的輸入電容CISS與外接電感形成諧振回路。電感電流對(duì)功率FET的CISS電容進(jìn)行充放電。理想情況下諧振驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)零損耗，實(shí)際應(yīng)用中雖然消除了外部CV2損耗，但諧振電流路徑中的導(dǎo)通和寄生電阻仍會(huì)產(chǎn)生損耗。功率器件內(nèi)部柵極電阻限制了諧振驅(qū)動(dòng)相比電壓源驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)損耗降低的最高實(shí)用開關(guān)頻率。

現(xiàn)有多種諧振驅(qū)動(dòng)器方案各具優(yōu)劣，其中圖騰柱橋式結(jié)構(gòu)(諧振電感與功率器件柵極連接至開關(guān)節(jié)點(diǎn))是基礎(chǔ)拓?fù)?。研究表明，?00V/60A工況下，諧振驅(qū)動(dòng)可使1MHz工作的硅功率器件柵極驅(qū)動(dòng)損耗降低50%以上。此外，諧振驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的更快開關(guān)轉(zhuǎn)換還能降低功率器件的開關(guān)損耗。

氮化鎵諧振柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)

以色列阿里爾大學(xué)的L. Cohen團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地研究了基于氮化鎵的諧振柵極驅(qū)動(dòng)方案。橫向高電子遷移率晶體管(HEMT)特性使其適合高頻開關(guān)與控制應(yīng)用的單片集成。研究者為碳化硅MOSFET功率器件開發(fā)了雙極性高頻GaN HEMT諧振驅(qū)動(dòng)，采用負(fù)壓關(guān)斷設(shè)計(jì)(部分SiC廠商推薦)，既可降低漏極電壓上升通過米勒電容引發(fā)的寄生導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)，又能實(shí)現(xiàn)更快開關(guān)轉(zhuǎn)換速率和更低反向恢復(fù)損耗。

圖1所示的電路框圖雖可采用單片集成方案，但實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用分立芯片構(gòu)建驅(qū)動(dòng)器的各子電路：

雙極性電源(高邊GaN HEMT導(dǎo)通用的+VCC和低邊GaN HEMT關(guān)斷用的-VEE)由環(huán)形振蕩器(RO)DC-DC轉(zhuǎn)換器生成。RO電路由奇數(shù)級(jí)反相器鏈構(gòu)成，采用增強(qiáng)型GaN HEMT級(jí)聯(lián)，其中低邊(LS)器件由前級(jí)驅(qū)動(dòng)，高邊(HS)器件由柵壓控制。該電路可視為一階RC電路，通過控制各級(jí)充放電實(shí)現(xiàn)所需轉(zhuǎn)換。GaN器件允許更高開關(guān)速度，+VCC由RO升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，-VEE由RO升降壓轉(zhuǎn)換器生成，本電路采用EPC2038(100V/3300mΩ)器件實(shí)現(xiàn)+20V VCC和-10V VEE輸出。

RO PWM級(jí)控制諧振驅(qū)動(dòng)GaN HEMT的柵極，包含PWM信號(hào)發(fā)生器和基于或非鎖存器的死區(qū)電路，驅(qū)動(dòng)RO和鎖存器同樣采用EPC2038 HEMT，可實(shí)現(xiàn)超2MHz的開關(guān)頻率。

諧振驅(qū)動(dòng)器由增強(qiáng)型GaN HEMT半橋構(gòu)成，本方案采用EPC2152集成半橋(80V/15A規(guī)格)，通過EPC9097評(píng)估板實(shí)現(xiàn)。圖1中Lr電感與Cr電容與被驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET的CISS構(gòu)成諧振回路。當(dāng)HS GaN HEMT導(dǎo)通、LS GaN HEMT關(guān)斷時(shí)，+VCC電壓施加于SiC MOSFET柵源極之間，Lr電流對(duì)柵極充電;反之則施加-VEE電壓，SiC MOSFET柵電容通過Lr放電。Lr作為功率柵極的電流源，既消除了米勒效應(yīng)，又能在MHz頻率下實(shí)現(xiàn)高效功率轉(zhuǎn)換。該諧振驅(qū)動(dòng)器本質(zhì)上是工作在斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)的同步降壓轉(zhuǎn)換器，通過開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的諧振實(shí)現(xiàn)被驅(qū)動(dòng)功率器件的柵電荷回收，本方案采用150nH的Lr值。

被驅(qū)動(dòng)功率器件采用安森美NTH4L160N120SC1 SiC MOSFET(1200V/160mΩ)，配合SiC肖特基二極管和4.6nH升壓電感(圖1未顯示)構(gòu)成升壓功率級(jí)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在2MHz開關(guān)頻率下獲得了清晰的開關(guān)波形，測(cè)得SiC柵極上升/下降時(shí)間分別為10.2ns和11.7ns。相比標(biāo)準(zhǔn)電壓源柵極驅(qū)動(dòng)，諧振驅(qū)動(dòng)方案實(shí)現(xiàn)26.8%的柵極功率損耗優(yōu)勢(shì)。當(dāng)升壓功率級(jí)在354.4V輸入電壓(VIN指升壓級(jí)輸入，即連接SiC MOSFET漏極的升壓電感端)驅(qū)動(dòng)1350Ω負(fù)載時(shí)，輸出980V電壓，峰值電感電流達(dá)8.6A。

在2.54MHz開關(guān)頻率下測(cè)得轉(zhuǎn)換效率為99.02%(輸入功率718.432W，輸出功率711.407W)。當(dāng)VIN=200.2V時(shí)，相同負(fù)載下輸出522V，峰值電流4.44A，測(cè)得效率為97.8%。