GaN MOSFET高效谐振驱动电路设计及损耗分析

高圣伟，苏 佳，刘晓明，李龙女

（天津工业大学 电工电能新技术天津市重点实验室 天津 300387）

宽禁带半导体GaN是第三代功率器件的理想材料，是功率变换器的主要部分，使功率变换器朝着高频、高功率密度以及更小的1体积方向发展.在拥有更快开关速度的同时，由于功率损耗与频率是成比例增加的，因此在高频下，功率损耗是最主要的问题，在开关频率较高时，开关损耗是功率损耗的主要因素.国内外学者为实现门极驱动电路低功耗做了大量的研究工作.文献[1]中提到，当GaN MOSFET应用于高频时，传统的门极驱动电路不能满足低功耗的要求，功率损耗与频率会成比例地增加.文献[2-4]详细分析了各部分的损耗情况.GaN MOSFET的门极阈值电压很低，在1.4～1.7 V范围内，很容易由电路中的寄生电感产生的振荡尖峰使其误导通.文献[5]给出了GaN高频谐振门极驱动电路，使用软开关技术来减小开关损耗.文献 [6-9]介绍了高频驱动电路的特点以及应用.文献[9-12]给出了不同的谐振门极驱动电路的拓扑结构.为了适应未来的发展需求，变换器必须要提高效率和功率密度，满足低损耗的特点，但是目前GaN驱动电路的功率损耗仍然比较高[13]，因此提出一种低功耗的新型门极驱动电路具有重要意义.

针对目前驱动电路的高功率损耗问题，本文对门极驱动电路进行研究，并详细分析其原理.对比传统门极驱动电路和谐振门极驱动电路，并提出一种新型谐振门极驱动电路，分别计算3种电路的功率损耗.

1 传统驱动电路与谐振驱动电路

传统的门极驱动电路由于电路结构简单，因而广泛应用于驱动MOSFET.市场上大多数的驱动芯片的输出级驱动也是传统的硬开关模式，如IR2110、NI的LM51系列.但是传统的门极驱动电路有一个致命的缺陷，即在高频下会增加功率损耗，开关速度变慢[14].图1给出了针对常开器件的传统门极驱动电路.图1中，红色框中的器件为GaN MOSFET，S1和S2为辅助开关管，Ciss是输入电容.C的值要远大于输入电容Ciss，所以在GaN MOSFET关断过程中，C相当于一个恒压源.

图1 传统门极驱动电路Fig.1 Traditional gate drive circuit

首先辅助开关管两端电压V提供的能量为：

因驱动电流ig与门极总电荷量Q有如下关系：

合并公式（1）、（2），则功率损耗可以由下式计算：

式中：V代表门极峰值电压；fs代表开关频率.

从式（3）中可以看出，功率损耗与开关频率成正比[15-17].因此，在高频情况下，传统的门极驱动电路无法满足低功耗的要求.文献[9]提出一种谐振门极驱动电路.利用LC谐振的原理，在GaN MOSFET关断的过程中，通过电感L将输入电容Ciss中的能量反馈到电压源当中，以此来实现能量的有效利用，减小损耗[17].其电路结构和主要波形如图2所示.

辅助开关管的输出经电感L连接到GaN MOSFET的门极，辅助开关管采用“推挽式”结构输出.当S1开通时，S2截止，VDD通过S1和L给电容Ciss充电，GaN MOSFET导通，门极电压Vgs的值为VDD+VD1；当S1截止时，S2导通，电容Ciss放电，GaN MOSFET关断.如果增加辅助开关管S1的导通时间，电感L上的电流会通过二极管D1续流，iL缓慢减小，在此过程中产生环流损耗.

图2 门极驱动电路的结构与开关波形Fig.2 Structure and switching waveform of gate drive circuit

2 新型谐振门极驱动电路

由于图2所示的门极谐振驱动电路的驱动电流是从零开始增加的，导致驱动速度较慢.如果不能准确控制辅助开关管的控制信号，电路中也会增加环流损耗[18].因此，提出一种新型谐振门极驱动电路，如图3所示.充电和放电采用不同的回路，具备提供不对称输出的能力.同时，在GaN MOSFET的漏极处加入无损缓冲电路，通过电容C1来减缓电压的上升速度，并且电容中的能量不会被消耗掉，避免了能量的损失.

图3 新型谐振门极驱动电路Fig.3 Structure and switching waveform of gate drive circuit

根据GaN数据手册显示，GaN MOSFET的驱动电压为6 V.在辅助开关管Q1/Q2开断的过程中，谐振电感L1/L2与外部输入电容Ci以及电阻R1/R2组成LCR谐振回路.其开通和关断过程的电压电流曲线如图4所示.

图4 GaN MOSFET开关过程Fig.4 Switching transitions of GaN MOSFET

2.1 GaN MOSFET的开通过程

当Q1导通，Q2关断时，充电回路为Q1-D1-L1-R1-Ci，门极电压逐渐上升，GaN MOSFET导通，其开通过程如图4（a）所示[18].

LCR构成谐振回路，当电流上升到峰值时，二极管D1电压反偏，阻止电流继续增大，并将门极电压钳位在最大值，忽略二极管上的电压降，由基尔霍夫电压定律可得：

根据电容和电感的特性，上式可改写为：

式中：电容C指的是外部电容Ci，因为Ci比门极电容Ciss大得多，所以可以忽略门极电容.又因为：

式中：K1、K2均为常数，由初值和边界条件确定；ω1为谐振频率，可由下式表示：

从图4可以看出，电容电压VC的初值为最小值Vn.边界条件为当t=0和t1时，电流值为零.根据初值和边界条件可以得到K1=0，K2=Vn-VDD，综合以上各式，可得到门极电压如公式（8）所示，当 cos（ω1t）=-1时得到最大值VP.

2.2 GaN MOSFET的关断过程

关断过程经放电回路Ci-R2-L2-D2-Q2完成，回路总电压应该为0，与开通过程相反.所以放电回路电压满足以下方程：

类似于开通过程，二极管D2的管压降可忽略，（9）式可以改写成为：

式中：K1、K2由边界条件确定；ω2为谐振频率，其值为：

综合上式，可以得到：

为了确定谐振电感的值，在开通和关断过程中分别定义2个参数A和B[19-20].

根据公式（14）、（15）可以计算出谐振电感的值：

由于在关断过程中电路处于断路状态，因此，新型谐振门极驱动电路的门极损耗可由式（18）表示：

又因为：

根据开断过程的曲线图可知：

综合以上各式，可得到功率表达式：

3 结果分析

3.1 仿真分析

针对以上谐振门极驱动电路的拓扑结构，用LT spice软件进行仿真.辅助开关管选取Si MOSFET，GaN MOSFET的型号为GS66502B，二极管选取肖特基二极管，驱动电压为15 V.图5所示为谐振门极驱动电路中GaN MOSFET的门极驱动波形.从图5中可以看出，门极驱动电压为6 V，负压部分为二极管D2的压降值，约为0.4 V.

图5 谐振门极驱动电路波形Fig.5 Waveform of resonant gate drive circuit

图6所示为新型谐振门极驱动电路在开关频率为500 kHz下的仿真波形，在GaN MOSFET开断过程中，上升时间和下降时间均为40 ns.从图6中可以看出，只要准确控制辅助开关管Q1、Q2的控制信号，在开通过程中，电感就会与门极输入电容发生谐振，但是驱动电流是从零开始的，导致驱动速度较慢.加入无损缓冲电路后，门极的电压和电流波形得到了明显改善，电压和电流的上升速度变缓，减小了电流尖峰，实现了零电压开关.同时，缓冲电路也减小了GaN MOSFET的平均损耗，电压和电流尖峰也在其安全值7 V与10 A之内，防止了二次击穿.

图6 新型谐振门极驱动电路波形Fig.6 Waveform of new type of resonant gate drive circuit

根据图5和图6计算出各部分损耗的具体数值，如表1所示.

表1 不同驱动的损耗对比Tab.1 Loss comparison of different drive

表1中，3种拓扑结构的二极管和辅助开关管均选取同种型号，本文只考虑驱动电路的导通损耗、辅助开关管的驱动损耗以及开关损耗.由于谐振门极驱动电路实现了零电流关断，因此忽略其开关损耗.

根据表1中数据可得，传统门极驱动的总损耗为0.64 W，谐振门极驱动电路的总损耗为0.442 W，而新型谐振门极驱动电路的总损耗为0.284 4 W.新型谐振驱动电路的门极损耗比传统GaN MOSFET驱动电路的损耗减小了55.56%，比普通谐振驱动电路的门极损耗减小了35.66%，因此新型谐振门极驱动电路更适用于GaN MOSFET.

3.2 实验分析

本文将新型谐振门极驱动电路用于DC/DC变换器中，测试驱动电路的性能.选取开关频率500 kHz，输出电压为75 V，实验结果如图7所示.图8、图9分别为GaN MOSFET的开通和关断过程.

图7 实验波形Fig.7 Experimental waveform

图8 GaN MOSFET的开通过程Fig.8 Turn-on transition of GaN MOSFET

从图中可以看出，GaN门极驱动电压为6 V，频率为494.8 kHz，受电路中寄生参数的影响，在开通过程中有轻微振荡，驱动电压尖峰为7.6 V，输出电压尖峰为77 V.在关断过程中，波形较为理想，但是关断速度要比开通速度慢.由公式（18）-（22）计算可得，驱动损耗为0.021 7 W，总损耗为0.301 5 W，与开关频率为500 kHz下的仿真结果相比存在6%的误差.

图9 GaN MOSFET的关断过程Fig.9 Turn-off transition of GaN MOSFET

4 结 论

本文从拓扑结构、工作原理以及功率损耗等方面对比分析了传统门极驱动电路与谐振门极驱动电路，提出一种适用于GaN MOSFET的新型谐振门极驱动电路，通过仿真和实验验证了该驱动电路的性能，加入的无损缓冲电路能够减缓电压和电流的上升速率，明显减小了电压和电流尖峰，并且不会产生损耗.实验结果表明：GaN MOSFET开通和关断的时间分别为12 ns和16 ns，能够实现开关管的快速开断；新型谐振驱动电路的门极损耗比传统GaN MOSFET驱动电路的损耗减小了55.56%，比普通谐振驱动电路的门极损耗减小了35.66%，因此新型谐振门极驱动电路更适用于GaN MOSFET.