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  考虑到氮化镓晶体管的特性,为了发挥其高频应用优势,对其驱动电路的研究是一项重要的工作。氮化镓的高频驱动电路首先需要极窄的驱动电压范围,驱动回路杂散电感与开关路径阻抗应该保持在较小的值,避免晶体管误导通;驱动电路需要满足拉/灌电流能力强、下拉电阻小、上升下降时间短等要求。低压增强型氮化镓晶体管面世以来,多种驱动方案已经被提出。
 
  氮化镓晶体管与硅管相似,也是电压型驱动。但与Si MOSFET不同的是,GaN功率晶体管的栅源极驱动电压范围为-5~+6V,驱动电压高电平不可超过6V。为了获得较小的驱动电阻,驱动高电平一般设置在5V左右,考虑到高频工作条件下回路的寄生感抗会引起较大的驱动振荡,驱动电压的安全裕量很小,TI公司的相关资料表明,氮化镓管的驱动电压安全裕量小于0.5V。而GaN相对于Si MOSFET的一个重要优势在于高频性能优异,因此简单沿用现有的Si MOSFET的驱动是不可取的。这给晶体管的高频驱动电路提出了难题,阻碍了GaN晶体管往更高开关频率推进。
 
  下面简单分析几种常见驱动方式的优缺点,以寻求适应于1MHz工作条件的氮化镓晶体管驱动方式。
1)谐振型驱动
  随着开关频率的提高,近些年来,一些学者提出了谐振驱动的概念,即利用谐振网络来实现开关管的驱动。谐振型驱动的核心思想是在驱动电路中加入LC谐振电路,利用开关管内部的寄生电容与外部电感谐振来实现开关管的驱动,并对储存在谐振电感中的能量进行有效回收,从而减小驱动损耗。典型的谐振驱动电路由于高频性能不佳,难以适应氮化镓晶体管对驱动的要求,有文献通过使用PMOS与NMOS代替高端和低端的两个二极管,降低了充电恢复过程中输出驱动电压的振荡尖峰,减小了驱动电路损耗,能够改善高频驱动情况,基本电路结构如图1。
谐振型驱动优化拓扑  
图1 谐振型驱动优化拓扑
 
  图中Q为被驱动的开关器件,Cin为器件的等效输入电容,Lr为谐振电感,它用来与电容Cin谐振工作,但是谐振型驱动只有在超高频场合才能发挥其优势。例如在输出功率20W的场合,选用开关器件EPC2001,驱动电压设为5V。当开关频率为1MHz时,驱动损耗为0.04W,占输出总功率的0.2%;当开关频率为10MHz时,驱动损耗占输出功率的2%,此时采用谐振型驱动才有可能获得整体效率的提升,当开关频率低于10MHz时,由于驱动电路额外的导通损耗和驱动损耗,这种复杂的谐振驱动电路收效甚微。
 
2)自举驱动
  另一种常用的驱动电路为自举驱动电路,图2给出了自举驱动电路基本结构,其中C1是自举电容,D是自举二极管,Vcc是整流下管的供电电压。
  在整流管Q1、Q2互补导通的情况下,死区时间内,两管均处于关断状态,电流Iload经开关管反向导通机制续流。与Si MOSFET不同的是,Iload不再通过寄生体二极管续流,而是通过氮化镓的反向导通机制续流。
自举驱动方式示意图  
图2 自举驱动方式示意图
  在死区时间内,D、C1、Q2组成通路,Vcc通过这一通路给自举电容充电,因此,可以得到C1上的稳态电压Vc1为:
Vc1=Vcc-VD-(-Vsd)       (3.2)
  由于自举电容为开关管Q1提供驱动电压,因此开关管Q1的驱动电平的稳态值为Vc1。由于氮化镓晶体管的反向导通压降Vsd远大于普通二极管,Vcc与这一电压叠加后,自举电容电压可能超过6V,从而导致晶体管损坏。
 
3)拉/灌电流独立的驱动电路
  图腾柱结构是一种传统的驱动电路结构,在Si MOSFET的应用中,通常在输出通路中反并一个二极管,加速关断,从而适应高频工作环境。但是对于氮化镓晶体管,这种加速关断的方式不再适用。由于氮化镓晶体管的最小门槛电压Vth仅有0.7V,管子关断时,反并二极管的导通压降极易造成氮化镓晶体管误开通,因此,输出与输入回路一体的驱动电路结构不再适用于氮化镓晶体管。
 
  有文献提出了一种开通与关断时电流回路相互独立的图腾柱结构,图3给出了这种驱动电路的基本结构。其中拉电流和灌电流分别存在两条独立的回路中,避免了相互之间的影响,经验证能够避免氮化镓晶体管的误开通。
拉/灌电流独立的驱动电路  
图3 拉/灌电流独立的驱动电路
 
  对比上述三种方案的优缺点,其中自举驱动方式中的晶体管反向导通压降Vsd较大的问题不易解决,目前提出的解决方案电路结构较为复杂,有待其进一步的集成化发展。而改进型谐振驱动电路和拉/灌电流独立的驱动电路是专门针对高频氮化镓晶体管特性提出的,适应高频工作,但是谐振型驱动电路较为复杂,电路在超高频的场合下才具备明显的应用优势,对于开关频率1MHz的应用场合,推荐选用第三种驱动电路。

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