基于GaN器件Buck电路死区功耗分析与优化

胡官昊，陈万军，施宜军，周　琦，张　波

（电子科技大学微电子与固体电子学院，成都610054）

基于GaN器件Buck电路死区功耗分析与优化

胡官昊，陈万军，施宜军，周琦，张波

（电子科技大学微电子与固体电子学院，成都610054）

氮化镓功率器件以其优异的高速、高效特性而有望在电源转换领域取得广泛应用。在Buck开关电源应用中，系统采用GaN HEMT替换传统Si功率器件后，系统死区损耗成为阻碍系统效率提升的一个重要因素。针对GaN器件的电源转换系统死区功耗展开理论及仿真讨论，详细分析Si功率器件与GaN HEMT在buck型开关电源系统中不同的工作机制以及死区时间对系统功耗的影响。优化结果表明，输入电压为12 V、输出电压为1.2 V、开关频率为700 kHz的GaN基电源转换系统，在死区时间Td1=20 ns、Td2=0 ns、负载电流为20 A的情况下系统转换效率可达到92%。

死区时间；氮化镓器件；同步buck型开关电源

引言

Buck型开关电源作为一种被广泛应用于精密仪器、通讯系统中的降压转换器，不断朝着更小型化、轻型化，更高转换效率方向发展。在Si基功率器件因自身材料特性限制很难继续推动这一发展的背景下，基于GaN材料的功率转换技术被迅速发展起来［1］。然而，GaN器件因为不具有Si器件自身所寄生的体二极管，导致器件的反向导通机理也不同于Si器件。这一特性使得系统死区时间对GaN器件作用不同于Si器件，正确评估这一影响对于充分发挥GaN器件在功率转换领域优势具有重要意义。

本文首先简单介绍了buck型开关电源及开关电源中功率器件开关过程，通过理论分析，得出GaN HEMT相较于Si MOSFET在buck型开关电源系统应用中对系统死区时间改变更为敏感的结论；然后借助于仿真手段搭建buck型开关电源电路，对理论分析结论进行验证，同时评估死区时间变化对系统效率的影响；最后通过对GaN基buck型开关电源系统的死区时间仿真结果进行分析优化，获得最优转换效率方案。

1　Buck型开关电源

Buck变换器是一种输出电压低于输入电压的直流稳压器，其基本电路拓扑见图1。Buck变换器电路中开关管在开启和关断两种状态之间转换，通过改变驱动信号的占空比获得目标输出电压［2-4］。

图1　同步Buck开关电源拓扑Fig.1 Topology of synchronous buck converter

2　死区时间定义

栅极驱动电压时序如图2所示。理想的栅控制信号是具有固定周期T、固定占空比D的矩形脉冲，如图2中实线部分。点线部分为实际控制信号的上升沿和下降沿。正确计算测量死区时间对优化系统效率具有重要意义［5-6］。将死区时间分为两部分：Td1作为M1开启死区时间，代表自同步功率管M2开始关断到M1开始开启时间区间；Td2作为M2开启死区时间，代表自主开关管M1开始关断到同步开关管M2开始开启时间区间。栅信号在电路中传输存在延时可能导致M1与M2同时开启的情况发生时，Td1或Td2为负值。控制器为确保系统具有充足死区时间裕度，在2个控制信号之间插入一段延迟时间，保障系统安全高效。

图2　栅极驱动电压时序Fig.2 Timing sequence of gate driver voltages

3　功率管开关过程分析

从器件开关过程分析死区时间作用机理，探究Si MOSFET与GaN HEMT器件在应用中的差别。图3所示为考虑器件自身寄生电容、寄生电阻在内的单个周期内系统电流变化瞬态。为了简化分析，图中功率管模型均通过反向并联二极管来说明器件的反向导通特性。

图3（a）为图2 t0时刻电路瞬态电流路径，此时M1处于完全关断状态，M2处于完全开启状态。从t0开始，Vg2开始减小，M2开始关断，此时M2的输入电容Ciss（Cgs+Cgd）开始通过栅电阻Rg释放存储电荷。而M2漏源两端电压Vds随着M2的输出电容被充电不断下降，直至达到GaN器件反向导通阈值电压Vth，器件开始反向导通，并随着Vg2的减小，反向导通路径流过的电流开始不断增加。

图3（b）为M2完全关断t1时刻系统电流路径，此时电流完全流过反向导通路径，Si基MOSFET由于自身寄生的体二极管导通，压降约为0.7 V；GaN器件反向导通电流20 A时，压降为2.2 V。从t1时刻至M1开启前的时间段为Td1，Td1越高，GaN反向导通的系统功率损耗较Si基MOSFET越严重。

图3　单周期内不同瞬态电流路径Fig.3 Transient current paths in different phases of single switching cycle

图3（c）中，M1栅电压Vg1从t2时刻开始增大，对Ciss充电，同时Vds1开始减小，M1输出电容Coss对外放电。开关节点处电位Vs不断升高，直至M2反向导通停止，此时系统电流路径如图3（d）所示，M1沟道开启，同时Coss开始充电。直至系统电流完全流经M1沟道，图3（e）所示。

图3（f）为t3时刻后，M1的栅电压开始降低，M1的输入电容Ciss开始经Rg放电，同时 Coss开始充电，此时Vs开始降低，Coss放电。随着以上过程持续，Vs不断降低至使M2反向导通，最终M1在t4时刻完全关断，此时电流完全流过M2的反向导通路径，如图3（g）所示。在t4至t5之间的时间段为Td2，Td2过大将使得GaN系统功耗远高于Si系统。在t5时刻M2栅电压开始增加，电流路径如图3（h）所示，M2开始导通，这一过程直至M2完全导通，电流路径完全流经M2沟道，如图3（i）所示。

经过对器件开关过程分析发现，控制器为Si MOSFET系统引入的足量死区时间对GaN器件不能发挥其更优异的器件特性。死区时间过长则死区器件反向导通损耗大幅增加，过短则会导致系统功耗大幅增加。由于GaN HEMT器件较Si基MOSFET器件更为优异的R*Q优值［7］，使得GaN HEMT器件在开关电源工作中具有更快的开启速度以及更低的导通电阻，从而具备更小的开关损耗和导通损耗。然而这一优异特性在过短的死区时间系统中将产生不良影响，因为在较短死区时间系统中，更快的开启速度使得器件开启过程可能发生在另一器件完全关断之前，从而发生严重的穿通现象；GaN器件较低的导通电阻使得器件在这一短暂的穿通过程中流过较大电流，从而产生严重的穿通损耗，这对高效转换系统显然是不可接受的。

综上所述，GaN开关电源系统对于死区时间的设置要求较Si基MOSFET更为严格，理论而言相同死区时间对GaN开关电源引起的无用功耗相较Si基开关电源要高出许多，因此，准确评估这一过程对于优化系统转换效率具有重要的意义。

图4　死区时间产生电路Fig.4 Dead-time generating circuit

4　仿真设置

在针对GaN基开关电源系统的死区时间相关功耗评估优化的同时，为了对比分析死区时间对GaN器件系统和Si系统的不同影响，本文采用相同的电路结构对两种器件进行了仿真分析。本文所采用的器件模型分别为：Renesas公司所提供的RJ K0301DPB的Si MOSFET模型［8］，EPC公司提供的型号为EPC2023的GaN功率器件模型［9］，TI公司提供的LM5113驱动模型［10］，凌力尔特公司的控制器LTC3833仿真模型［11］，以及相应无源器件模型搭建电路进行仿真。2种功率器件均为30 V、60 A增强型器件，由于GaN器件材料优势，GaN器件特征导通电阻Ron为1 mΩ，不到RJK0301DPB的导通电阻2.3 mΩ的一半，EPC2023器件的特征栅电容为20 nC，小于RJK0301DPB的 32 nC，从而EPC 2023应具有较RJK0301DPB更小的开关损耗和导通损耗［8-9］。转换系统的参数为：12～1.2 V，输出电流20 A，系统频率700 kHz。为了验证实际工程应用中控制器内部提供死区时间对系统功耗的影响，仿真并未采用EPC公司提供的电路设计方案［12］，即通过反向器将Vg1信号转化产生Vg2，这一设计在增加系统复杂度的同时也增加了系统功耗及成本。

死区延时产生电路原理如图4所示，控制器所产生的控制信号经过如图3所示的死区延迟时间产生电路。图中虚线框内为Td1引入延时产生电路，点短线框内为Td2引入延时产生电路。这种RCD电路的工作原理为：在栅信号的上升过程中，栅信号通过可变电阻给电容充电，这个充电过程将对驱动器接收的信号引入一个延时，从而在器件开启之前引入一个死区时间。而在栅信号下降过程中，电容存储电荷通过二极管直接释放，不会对栅信号下降造成延时。通过调节电阻大小可以向栅信号中插入适合的Td1和Td2延时使系统性能达到最优。本次仿真针对Td1和Td2引入延时对系统的影响，分别固定其中一个变量进而对另一变量进行优化分析，获得最优死区时间。为了满足驱动器速度与被驱动的器件速度匹配，在低阻抗的栅极驱动器与被驱动器件之间连接一个1 Ω的外部电阻。

图5　各系统器件总功耗随死区时间变化关系对比Fig.5 Power loss on GaN vs.Si devices as a variation of dead-time

5　仿真结果及分析

5.1死区时间对两种系统功耗影响

死区时间对M1和M2功率管总功耗影响关系如图5所示，其中图5（a）为功率管功耗与Td1引入延时关系，图5（b）为功率管功耗与Td2引入延时关系。从图中可以看出如下结论：①在Buck型开关电源中引入GaN HEMT替代Si MOSFET可以显著降低系统无用功耗，提升系统转换效率，由此可预见在更适合GaN器件应用的高频开关电源系统中，GaN系统的优势将更加明显；②在相同系统状态情况下，GaN HEMT相较于Si MOSFET对系统死区时间更为敏感，在引入过长死区时间后，器件损耗显著增加，使得GaN HEMT总功耗显著增大甚至超过Si MOSFET，抵消由引入GaN器件为系统带来的能耗降低；③从图中最优效率点的位置可以看出，GaN系统需要更为精准的死区时间调整电路辅助以达到最优的转换效率；④基于当前大多控制器针对Si基功率管设计这一事实，控制器在上下管同步信号中插入在死区时间对Si功率管损耗影响不大，且充分防止穿通情况发生，而这一过长的死区时间不仅会导致GaN系统功耗显著增大，在更高频情况下甚至会使系统失去转换功能。

5.2死区时间对GaN系统上下管影响

为Td1和Td2引入的时间延迟对GaN系统上下两管功耗的影响仿真结果如图6所示，从图6中可以看出：

（1）Td1引入延迟后降低了同步整流管 M2损耗。图6（a）可以分为2个阶段，第1阶段为图中0～15 ns范围，由于Td1延迟的引入，使得Td2减小，M2反向导通时间减少，从而使M2功耗降低，系统转换效率提升。而在这个阶段Td1引入延迟并未对M1功耗产生影响。第2阶段为图中15～35 ns区域，由于Td1引入延迟时间持续增大，使得Td2不断减小，在M1并未完全关断前，M2开始微弱导通，产生穿通损耗，在这个阶段M1与M2功耗开始不断增大，随着Td2减小为负值，穿通现象加重，M1与M2功耗开始大幅度增加。而这一阶段发生在M1关断、M2开启并逐渐由储能元件对外供电过程中，M2源漏两端电压为（Vin-Vo），远大于M1，因此在这个过程中M2功耗显著高于M1。

（2）从图6（b）可以看出，Td2引入延时后，M2反向导通时间增大，由于GaN器件方向导通压降较高为2.2 V左右，系统负载电流为20 A的情况下，M2反向导通时间增大意味着无用功耗更高，导致系统转换效率开始下降。不同于图6（a）中情况，为防止器件穿通，控制器在输出上端功率管控制信号时加入一段死区时间，使得Td1并未快速降低至0。因此，图6（b）中曲线出现一个平缓区域，但是由于过长的Td2延迟引入，使得Td1变为负值，发生穿通现象，此时等效于将12 V输入电源短接，远大于图6（a）情况，因此功耗远高于图6（a）。以上过程发生在M2关断、M1开启并逐渐由电源对负载供电过程中，M1源漏两端电压为（Vin-Vs），远大于M2源漏两端电压，因此在这个过程中M1功耗显著高于M2。

5.3最优死区时间

通过对Td1与Td2死区时间调节，分别获得了最优死区时间Td1和Td2。理论分析及仿真验证表明，Td2引入延迟为0时系统功耗最低。同时对图6（a）中最优效率点附近Td1引入延迟进行更详细的数据仿真，最终获得最优死区时间Td1=20 ns，Td2=0 ns，系统最优转换效率为92%。

图6　氮化镓系统效率及器件功耗与死区时间变化关系Fig.6 GaN system efficiency and Relationship of power loss and different dead-time

6　结语

本文通过对实际工程应用案例的引入，详细介绍了系统死区时间对功率器件开关过程的影响。结合GaN HEMT的开关机制，理论分析了这一极具应用前景的Si基器件替代品与Si基器件在开关电源应用中对系统的不同要求，引出未来GaN开关电源系统应具备更精确的死区时间控制这一结论，并借助于仿真软件对以上理论分析结果进行验证并优化，最终获得了在开关频率700 kHz、输出电流20 A工作条件下，完成12～1.2 V转换功能并具有92%转换效率的GaN基Buck型开关电源设计方案。从仿真结果中发现，现有控制器内部死区时间设置对于新型GaN开关电源高效应用具有一定的负面作用，提高死区时间控制精度才能充分发挥GaN器件应用于开关电源中的优势，这也将成为未来GaN开关电源系统研究的一个目标。

［1］Reusch D，Strydom J，Lidow A.Highly efficient gallium nitride transistors designed for high power density and high output current DC-DC converters［C］.Electronics and Application Conference and Exposition（PEAC），2014 International.IEEE，2014：456-461.

［2］Pressman A，Billings K，Morey T.开关电源设计［M］. 第3版.北京：电子工业出版社，2010.

［3］Rogers E.Understanding buck power stages in switch mode power supplies［J/OL］.Texas：Texas Instruments. （1999-03）［2016-05］.http：//www.ti.com/lit/an/slva057/slva057.pdf.

［4］Maniktala S.精通开关电源设计［M］.第2版.北京：人民邮电出版社，2014.

［5］Zhang Xi.How to calculate and minimize the dead time requirement for IGBTs proper-ly［J/OL］.Munich：Infineon Technologies.（2008-05）［2016-05］.http：//www.infineon.com/dgdl/Infin-eon-AN2007_04_Deadtime_calculation_for_IGBT_modules-AN-v1.0-en.pdf.

［6］马焕，王康平，杨旭.GaN器件的LLC谐振变换器的优化设计［J］.电源学报，2015，13（1）：21-27. Ma Huan，Wang Kangping，Yang Xu.Optimal design of GaN-based LLC resonant converter［J］.Journal of Power Supply，2015，13（1）：21-27（in Chinese）.

［7］Baliga B J.Power semiconductor device figure of meritfor high-frequency applications［J］.Electron Device Letters，IEEE，1989，10（10）：455-457.

［8］Renesaselectronics.RJK0301DPBdata-sheet［OL］. （2015-01）［2016-05］.https：//www.renesas.com/zh-cn/doc/ products/transistor/003/r07ds1244ej0901_rjk0301dpb.pdf.

［9］Efficient Power Conversion Corporaton.EPC2023 datasheet［OL］.（2015-12）［2016-05］.http：//epc-co.com/epc/Portals/0/epc/documents/datasheets/EPC2023_preliminary.pdf.

［10］Instruments T.LM5113 datasheet［OL］.（2016-01）［2016-05］.http：www.ti.com/product/lm5113.

［11］Linear Technology.LTC3833 datasheet［OL］.（2010-11）［2016-05］.http：//cds.linear.com/docs/en/datasheet/3833f.pdf.

［12］Efficient Power Conversion.EPC9101 Quick Start Guide ［OL］.（2013）［2016-05］.http：//epc-co.com/epc/Portals/0/epc/ documents/guides/EPC9101_qsg.pdf.

Analysis of Dead-time Related Loss on GaN-based Synchronous Buck Converter

HU Guanhao，CHEN Wanjun，SHI Yijun，ZHOU Qi，ZHANG Bo
（School of Microelectronics and Solid-State Electronics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

GaN-based power device is expected to be widely used in power converter system，owing to its superior characteristics of high-speed and high-efficiency，it is important that the dead-time related loss of GaN-based HEMT devices have negative impact on improving system efficiency in application of buck converter.In order to accurately assess the influence of the dead-time related loss on converter efficiency，analytical model combined with simulation results for dead-time related loss of GaN-based devices upon power converter system has been discussed and optimized in this letter.The different operating principle of buck converter system is discussed in Si-MOSFET and GaN HEMT and the mechanism of dead-time related loss is analyzed，respectively.for a converter of input voltage 12 V to output voltage 1.2 V，load current 20 A operating at a switching frequency of 700 kHz，the optimal efficiency is 92%under the conditions of Td1is 20 ns，Td2is 0 ns.

dead-time；GaN transistor；synchronous buck converter

胡官昊

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.4.90

TN 86

A

2016-05-05 基金项目：国家科技重大专项资助项目（2013ZX02308005）；国家自然科学基金资助项目（61274090） Project Supported by the National Science and Technology Major Project（2013ZX02308005）；the National Natural Science Foundation of Chi-na（61274090）

胡官昊（1990-），男，硕士研究生，研究方向：功率集成电路，E-mail：hy061015 @163.com。

陈万军（1978-），男，通信作者，教授，博士生导师，研究方向：功率半导体器件、宽禁带功率半导体、功率集成电路，E-mail：wjchen@uestc.edu.cn。

施宜军（1990-），男，博士研究生，研究方向：新型半导体材料与功率器件，E-mail：syj20094870@sina.com。

周琦（1981-），男，副教授，研究方向：氮化镓功率器件新型结构及制备技术，E-mail：zhouqi@uestc.edu.cn。

张波（1964-），男，教授，博士生导师，研究方向：新型功率半导体器件与功率集成，E-mail：zhangbo@uestc.edu.cn。