针对GaN器件的非对称双路同步谐振栅极驱动电路

高珊珊 王懿杰 刘怡宁 徐殿国

针对GaN器件的非对称双路同步谐振栅极驱动电路

高珊珊 王懿杰 刘怡宁 徐殿国

（哈尔滨工业大学电气工程系 哈尔滨 150001）

近年来，氮化镓（GaN）器件凭借其开关速度快、导通电阻小等优点被广泛应用于电力电子变换器中，与此同时，谐振栅极驱动电路也受到广泛的关注，特别是在高开关频率、小功率的应用场合中，用以降低驱动电路的损耗。然而，与硅器件不同的是，GaN器件的开通阈值电压相对较低，且没有体二极管，反向导通压降较大，因此传统的谐振栅极驱动电路不适使用GaN器件。该文针对高频应用场合中寄生参数易引起驱动信号振荡的问题，结合GaN器件特点，提出一种非对称电压的谐振栅极驱动电路。此外，对于需要两个同步开关的应用场合，如开关电感变换器等，采用具有两个二次侧的变压器实现两路隔离同相驱动信号的输出。该文介绍了谐振栅极驱动电路的工作原理，并以效率最优的原则设计电路参数，设计一台开关频率为1MHz的驱动电路样机，并进行实验验证，实验结果与理论分析结果吻合较好。

氮化镓 谐振驱动电路 谐振电感 损耗分析

0 引言

高频率及高功率密度变换器凭借体积小、成本低、动态响应快等优点成为电力电子变换器的发展趋势。在高频率、低功率的应用场合，例如，几百瓦及以下，开关管驱动电路的驱动损耗对整个变换器有显著影响[1]。然而，传统的电压源型驱动电路（Conventional Gate Driver, CGD）的损耗随着开关频率的增加而不断增加。因此，谐振型驱动电路（Resonant Gate Driver, RGD）在高频应用中备受关注[2-4]。

在RGD中，通过设计LC谐振网络来恢复存储在功率MOSFET栅源极电容中的能量。RGD的另一个优点是具有快速充放电能力，根据初始电感电流，RGD可分为零初始电流拓扑结构和非零初始电流拓扑结构[5]两种类型。

近年来，GaN器件由于具有开关速度快、导通电阻小等优点被广泛应用于高频电力电子变换器中[6-10]。就器件本身而言，GaN器件的开通阈值电压比Si器件低，以GaN Systems公司生产的GS61008为例，其开通阈值仅为1.1V。虽然GaN器件本身不需要负压偏置来保证关断，但在高频条件下，电路中寄生参数引起的振荡很容易造成误动作，因此在高频应用中，负压偏置是必不可少的。同时，GaN器件不存在体二极管，反向导通损耗随关断电压的增大而增大。因此，传统的对称式电压驱动电路不适合GaN器件。

同时，随着光伏系统等应用场合对高电压增益DC-DC变换器的需求不断增长，级联变换器、开关电容、开关电感、耦合电感[11-14]等新技术逐渐成为研究热点。其中，开关电感变换器中有两个具有同步驱动信号的开关管。对于这些变换器，通常需要两套驱动电路，增加了驱动电路的体积、成本和 损耗。

因此，针对上述应用场合，以GaN Systems公司的GaN器件为例，官方推荐的驱动电压为6V或6.5V，同时为保证可靠关断，应具有一定的负电压。对驱动电路而言，需具有较快的开通、关断速度；具有谐振网络，以保证系统效率；并且能够输出两路同相的隔离驱动信号。

针对高频应用场合中寄生参数易引起驱动信号振荡的问题，结合GaN器件特点，本文提出了一种非对称电压的谐振栅极驱动电路。此外，对于需要两个同步开关的应用场合，如开关电感变换器等，采用具有两个二次侧的变压器实现两路隔离同相驱动信号的输出。本文首先详细介绍了所提驱动电路

的工作原理；其次介绍了谐振电感的设计方法，并分析谐振电感参数对电路损耗的影响；最后给出了实验结果及结论。

1 工作原理

图1 基于变压器的谐振栅极驱动电路

在一个工作周期内，该驱动电路有6个工作模态，图2为谐振驱动电路工作模态，图3为RGD主要电压和电流波形。开关管S2、S4在开通时可实现零电压开通（Zero Voltage Switching, ZVS），S1、S3在关断时可实现零电流关断（Zero Current Switching, ZCS）。该驱动电路可有效降低开关损耗，提升系统效率。模态分析如下：

图3 RGD主要电压电流波形

其中

2 谐振电感设计

2.1 谐振条件

谐振回路需处于欠阻尼状态，谐振电感最小值可表示为

2.2 临界电感

定义当充电电流g谐振为0时，开关管栅源极电压gs谐振至最大值的电感值为临界电感，此时开关S1、S3可以实现ZCS。设计栅极电压的上升/下降时间占整个周期的2%，即

式中，d为固有振荡周期；s为开关周期。

图4 不同Lr对应的驱动电压电流波形

2.3 防止误动作条件

图5 t1、t4时刻栅源极电压随谐振电感值变化的曲线

表1 驱动电路元器件参数

Tab.1 The parameters of the proposed RGD

3 驱动电路损耗分析

本文所提出的谐振式栅极驱动电路的损耗主要包含传导损耗、开关损耗、栅极驱动损耗、输出电容损耗和移位电路损耗五个部分。

（4）输出电容损耗。开关管S1～S4存在漏源极寄生电容oss，充放电过程中会产生相应的损耗，其表达式为

式中，oss_N和oss_P分别为S1及S2的寄生电容。

（5）移位电路损耗。为了使驱动电路的开通、关断电压与所驱动开关管相匹配，增加了电平移位电路。移位电阻1、2上的损耗可表示为

由于1、2电阻为kW级，相比于以上四种损耗，这部分损耗可近似忽略。综合上述损耗分析，该谐振栅极驱动电路的总损耗可表示为

图6 驱动电路各部分损耗随谐振电感值变化的曲线

相比之下，考虑Si8271芯片的损耗及栅极电阻的损耗，基于驱动芯片的硬驱动电路损耗[15]可表示为

4 实验结果

基于上述分析，本文设计了针对GaN器件具有非对称电压及两组同步驱动信号的1MHz谐振驱动电路，用以驱动文献[14]中提出的高电压增益非耦合电感Sepic变换器。实验测得驱动电路损耗为0.18W。

图7所示为开关管S1、S4的驱动电压信号，二者间的死区时间决定了模态1的时间。在不同工作状态下，S1～S4的驱动信号不会发生变化。图8～图10分别为r=rb、r＜rb、r＞rb三种不同情况下c、d两点间电压信号及一路输出驱动信号。利用电平移位电路，开通电压和关断电压分别为+5.3V和-1.3V。实验结果与仿真结果相一致。

图7 开关S1、S4的驱动信号

图8 vcd电压及驱动信号波形（Lr=Lrb）

图11所示为GaN驱动信号及其相应的漏源极电压信号。由图可知，当开关管连接到主功率电路时，在关断过程中会产生高频振荡，由于关断电压为负电平，振荡的最大值被抑制到1V以下，有效地避免了误导通。

图9 vcd电压及驱动信号波形（Lr＜Lrb

图10 vcd电压及驱动信号波形（Lr＞Lrb）

图11 GaN驱动信号及其漏源极电压

图12所示为驱动电路样机照片，PCB面积为5cm×2.6cm。

5 结论

本文针对GaN器件提出了一种具有非对称电压和两个同步驱动信号的谐振栅极驱动电路。本文在传统的谐振驱动电路的基础上，增加负电压以确保可靠关断，并采用较小的关断电压以降低损耗。此外，采用具有两组二次侧的变压器来产生两个同步驱动信号，可应用于如开关电感变换器等场合。通过优化谐振电感参数，在1MHz开关频率下，所提出的谐振驱动电路损耗相比于基于驱动芯片的硬驱动电路损耗可减小73.8%。

图12 驱动电路样机照片

附 录

由于谐振回路当中寄生电阻的存在，谐振回路可以近似简化为RLC谐振，其电压电流波形不是标准的正弦波。以充电过程为例，可以将充电回路简化为驱动电路充电过程等效回路如附图1所示。

附图1 驱动电路充电过程等效回路

Fig.App.1 Equivalent circuit of the drive circuit during charing process

欠阻尼振荡条件如式（4）所示，由此可解得模态1和模态4中栅极电压随时间变化的表达式分别为

在栅极充电电流g谐振至零时，栅源极电压gs恰好谐振至最大值，即

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Resonant Gate Driver with Asymmetrical Voltage and Two Synchronous Drive Signals for GaN Switches

（Department of Electrical Engineering Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）

Commercial gallium nitride (GaN) switches are widely used in power electronic converters recently years due to their advantages such as fast switching speed and low turn-on resistance. Accordingly, resonant gate drivers are adopted to reduce drive loss in high frequency and low power applications. However, different from Si switches, the turn-on threshold voltage of GaN switches is quite low and GaN switches have no body diode, which causes large reverse voltage drop. Therefore, traditional resonant gate drivers are not suitable for GaN switches. In order to solve the drive signal oscillation caused by parasitic parameters in high frequency applications, a resonant gate driver with asymmetrical voltage is proposed in this paper. Besides, for applications that require two synchronous switches, such as switch inductor converters, a transformer with two groups of secondary sides is added. The working principles are presented and parameters are optimized for lower loss. A 1MHz prototype is designed for experimental verification. The experimental results are in good agreement with the theoretical analysis.

GaN, resonant gate driver, resonant inductor, loss analysis

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90138

TM46

高珊珊 女，1992年生，博士研究生，研究方向为高频功率变换器。E-mail: gaoshanshanhit@163.com

王懿杰 男，1982年生，教授，博士生导师，研究方向为高频、超高频功率变换器及无线电能传输技术。E-mail: wangyijie@hit.edu.cn（通信作者）

2020-06-30

2021-01-20

国家自然科学基金资助项目（51777038）。

（编辑 陈 诚）