一种GaN功率器件驱动电路优化设计

张欣，潘三博

（上海电机学院电气学院，上海 201306）

GaN功率器件在实际应用中，由于其自身特性，令变换器具有更高的开关频率、更快的开关速度、更大的功率密度、更低的功率损耗和更小的体积。但其驱动电压范围窄、阈值低，更易造成驱动误通、栅极击穿问题[1]。其开关速度快，在应用过程中易产生开关振荡与开关损耗[2]。GaN功率器件应用在变换器中过程中可能会发生过电压、过电流等现象，抑制了GaN功率器件在实际应用的可靠性[3]。因此需要设计相应的驱动电路，保证开关器件在变换器中的可靠利用。文献[4]提出了GaN功率器件谐振驱动技术，实验验证了整机效率提高的可行性。文献[5]从GaN驱动电路PCB设计、驱动电阻、驱动回路优化三个方面提出了一种抑制的GaN功率开关器件抑制振铃方法。

本文从GaN功率器件驱动特性分析，以GS66508B，650 V增强型GaN为开关器件搭建Boost变换器，分析其过电压、过电流现象原因，对GaN栅极驱动电路进行优化设计，解决GaN功率开关器件在驱动过程中可能误通、振铃、过电压、过电流等问题。采用一种过电流分级保护电路；当功率器件出现2倍以内的过电流现象时，采用封锁栅极驱动电压方法实现功率管的快速关断，当开关管额定电流出现2倍以上过电流现象时，采用缓关断方法令栅极电压逐渐降为零。采用这种方法可以对不同的过电流故障做出及时的反应，并进行动态保护。利用LT-spice仿真软件对设计电路进行了仿真分析，并通过搭建实验平台对其驱动电路设计的合理性进行了验证。

1 GaN功率器件驱动要素分析

GaN功率器件应用在电力电子产品中提升变换器件效率和功率密度[6-9]。将硅基MOS功率器件与SiC功率器件比较，GaN功率器件驱动电压范围为-10 V～+7 V，栅级门槛电压一般为1.7 V左右，驱动电压范围窄[10]。常规的驱动芯片都不适用于GaN功率器件，因此根据GaN功率器件特性，设计驱动电路，令GaN功率器件在实际应用中发挥其优越性。

1.1 GaN功率器件栅极驱动回路分析

如图1所示，采用独立拉灌式输出驱动方式驱动GaN功率器件。当功率器件正常开通时，其电流回路为栅极驱动器-开通电阻（Ron）-栅极等效电阻（RG）-开关管-漏极等效电感（LS）-GND。当功率器件正常关闭时，电流回路为功率器件-LG-RG-Roff-GND。在GaN功率器件在开通与关断期间，等效的谐振环路不同，为了严格抑制之间的谐振，需要严格控制栅极环路中的电阻，最好的解决办法就是利用分离式充放电回路对GaN功率器件进行驱动，通过调整开通与关断阻尼，调整器件开通与关断的速度，减少回路中振铃情况，令GaN功率器件发挥更好的开关性能。

图1 GaN功率器件开通与关断回路图Fig.1 GaN power device circuit diagram of turn-on and turn-off

GaN功率器件等效模型中存在容性与感性器件，在器件关断瞬间，会产生较高dv/dt与di/dt，作用在GaN功率器件上会产生关断振铃，误导通，令功率器件功能失效。

1.2 GaN功率器件过电压、过电流分析

基于GaN功率器件搭建Boost变换器，等效电气模型如图2所示，对GaN功率器件源极-漏极产生过电压现象进行分析。如图2所示，用于表示GaN功率器件源-漏集电压UDS表达式为

图2 Boost变换器等效电气模型Fig.2 Equivalent electrical model of Boost converter

式中：LD，LS分别为GaN功率器件源极、漏极等效电感；RD，RS，RG分别为GaN功率器件的源极、漏极、门级等效电阻；LBUS，RBUS为直流母线中电感和电阻；系数KS一般取1～1.5；ESL为直流母线等效电容等效电感；ESR为直流母线等效电感。

通过查阅GS66508B的datasheet可知，GS66508B的RG为1.1 Ω，RDS为50 mΩ，VGS为1.7 V，LDS为3 nH，LG为3 nH，ESL取值为10～40 nH，ESR取值为10～20 nH。

在实际应用过程中，GaN功率器件可能会出现过电压故障，在器件关断瞬间，产生过高的di/dt作用在寄生电感，UDS升高，超过GaN功率开关管关断时的安全电压，器件失效，不能使用。因此在驱动电路设计的过程中考虑过电压保护措施。

在实际应用过程中，GaN功率开关管可能会出现电流故障，当开关管在导通时，发生负载过电流，开关管的漏极-源极会从一个饱和电压值上升至母线电压，漏极电压在上升的过程中，会产生强烈的dv/dt，变化较快的dv/dt会给GaN功率器件的米勒电容充电，进而耦合功率器件门级，功率器件门级电压进一步上升，所以功率器件的工作电流IDS会进一步上升，器件发热严重[11]。如果不采取措施解除其过电流现象，会缩短功率器件寿命，因此需要设计过电流保护电路。在本次的设计过程中，采用短路电流分级保护措施，当检测到电流过额定电流2倍以内，采取快速关断模式；当检测到电流过额定电流2倍以上采取缓关断保护措施。

1.3 驱动设计要求

综上所述，在设计中注意以下要点：1）选择独立的拉灌输出的驱动电路来控制GaN器件开通与关断。2）选择合适的开通电阻与关断电阻，通过设计合理的开通与关断阻尼，来改变器件开通与关断的驱动电流的大小，进而减少开关振荡与开关损耗。3）通过优化功率回路布局，减少寄生电感的产生，门级布线电容要小，避免造成器件振荡或者误导通。4）设计中应考虑器件在开通过程中可能过压、过流现象，利用有源钳位、缓关断等方式保护异常情况下的器件。

2 GaN驱动电路与保护设计

本次具体设计过程，采用GaN systems的GS66508B，650 V增强型GaN功率器件。其功率器件具体的技术参数为：漏源电压UDS为650 V，栅极电压UGS为10 V/+7 V，推荐驱动电压UGS为6 V，阈值电压UGS（th）为1.7 V，工作电流IDS为30 A（T=25℃），25 A（T=100℃），开关频率为500 kHz，驱动电压6 V。具有保护功能，防误通、过压和过流。

驱动电路如图3所示。其中，区域①为过电流分级保护设计；区域②为RC吸收电路减缓振铃设计；区域③为有源钳位过电压保护设计；区域④为减少寄生振荡设计；区域⑤为过电流直接关断设计；区域⑥为过电流缓关断设计。

图3 驱动电路原理图Fig.3 Schematic diagram of gate driver

2.1 器件正常导通与关断驱动回路设计与分析

当GaN器件正常开通时，PWM 3.3 V信号输入时，U1导通，A点为低电位，V1，V2导通，GaN功率器件栅极由V2与Ron接通电驱动电源6 V，GaN功率器件由关断变为开通。当其正常开通后，GaN开关器件UDS降为1.7 V，在V1导通的同时，电源通过V1与R4给电容C1充电，H点电位升高，通过选取合适的C1与R4，在开关管器件导通之前，Z1未被击穿。所以二极管D6正常导通，V4，V5截止，因此器件正常开通，不受影响。

当GaN器件正常关断时，PWM 0 V信号输入时，U1截止，A点为高电位，V1，V2由导通变为截止，V3由截止变为导通，GaN功率器件栅极电荷通过关断电阻Roff，V3释放，GaN功率器件可靠性关断。

2.2 过电流保护电路设计与分析

当器件正常开通时，可能会出现以下过电流故障。当其IDS急剧上升，在GaN开关器件的源极通过串联检测电阻R13测两端的电压来测验电流的变化。在利用电阻检测电流时，在高压大电流情况下，会产生额外损耗。在GaN功率器件源极设计中，分离出两个源极，分别是SS极与S极，其两个极电流值之比为3：1，将检测电阻放在S极间接测得IDS，可将额外的损耗降为直接检测损耗的1/4。测得当 30A＜IDS＜60 A时，比较器LMV359输出端oc2输出高电平直接令V5导通，GaN栅极电荷直接由V5全部释放，GaN栅极电压实现了GaN功率器件的快速关断；当IDS＞60 A时，比较器LMV359输出端oc1高电平通过V6将比较器U2B输出高电平拉低，令快速关断模式不做出反应。比较器U2A输出端通过R10与V4相接通，并令V4导通，C3沿V4放电，E点电位逐渐降低至正偏D1导通，F点电位逐渐降低，直至GaN功率器件缓慢关断。通过更改R11与C4的参数值可以调节器件关断的速度，实现其缓慢关断。

2.3 过电压保护电路设计与分析

当变换器出现过电压故障时，在工作过程中，遇到换流情况，由于电路中寄生电感的存在，较高的电流变化会产生电压过充，进而加在直流母线UDS上，当UDS超过TVS电压后，TVS管被击穿，电流经过TVS管一部分给电容充电，另一部分通过二极管D5给晶体管寄生电容CGS充电，晶体管栅极电位抬高，IDS下降缓慢，直至过压结束。

2.4 GaN防误通与减缓振铃设计

针对GaN功率器件振荡与误导通问题，在本次设计电路中具体采取的解决办法如下。

在栅极电路中加入磁珠FB0，利用铁氧体磁珠在电路中起着阻高频通低频的作用，进而来吸收GaN功率器件驱动回路中在高频状态过程中产生的振荡，令驱动更加稳定可靠。

在栅源级之间设计加入两个齐纳二极管，其作用是栅极保护作用，根据GaN功率特性栅极耐压UGS为10 V/+7 V，通过两个齐纳二极管加入，当栅源电压大于7 V时，令栅源之间电压被钳位在5.6 V，保护器件不被击穿。

采用独立的开通与关断输出的驱动电路来控制器件的开启与关断，能够形成独立的开通与关断回路，合适的开通或者关断电阻值可以有效地避免开通与关断回路RLC谐振，从而减小开通与关断期间振铃情况。

在GaN功率器件漏源两端设置阻容吸收电路，进一步防止尖峰、振铃、噪声造成功率管击穿。

3 实验验证与仿真分析

3.1 仿真分析

在进行实验平台搭建之前，利用仿真软件LTspice对GaN功率器件特性进行仿真分析。GaN功率器件选用GaN system公司的GS66508B-L3V4P1 spice库模型。其中驱动电压为6 V，开关频率为500 kHz。对GaN功率开关器件正常导通、关断、减缓振铃、短路过电流分级保护进行仿真，其器件波形图如图4～图6所示。

图4 GaN功率器件驱动仿真波形图Fig.4 Simulation waveforms of gate driver

图5 减缓UDS振铃仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of slow down UDSringing

图6 GaN过电流保护电流仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of GaN overcurrent protection current

图4为GaN功率器件驱动波形，可以看出驱动电压约为6 V左右，器件可快速导通与关断器件未出现误通现象。如图5a所示，GaN功率器件在关断过程中UDS会产生关断振铃，波动电压为10 V左右，通过在功率器件的源极与漏极加RC吸收电路。从图5b可以看出关断振铃基本被减缓。通过对功率器件过电流短路仿真测试，当功率开关器件在发生短路时，当IDS在额定电流两倍以内，从图6a可以看出器件在20 ns内做出了快速关断，当IDS在额定电流两倍以上时，器件在80 ns做出了缓慢关断。

3.2 实验验证

本文搭建了Boost实验平台，开关频率为500 kHz，通过实验验证驱动电路设计的正确性。

图7为器件开关频率在500 kHz时，Boost电路中GaN功率开关管的驱动波形图。从图上可以看出，在实验条件下，GaN功率开关器件的开通电压波形约为6 V左右，GaN功率开关器件未出现误通的现象，其开通的时间为20 ns，其关断的时间为15 ns，实现了器件的快速通断，其由于寄生电感引起的尖峰与震荡为0.7 V，符合设计要求。

图7 Boost变换器实验波形Fig.7 Experimental waveforms of Boost convertor

4 结论

本文对GaN功率器件驱动特性进行了分析，根据其开通与关断回路分析其振铃与误导通现象，提出了一种GaN器件栅极驱动电路优化设计，解决GaN功率器件使用过程中误导通、振铃现象、过电压与过电流情况。通过仿真与实验的波形分析，验证设计的合理性与有效性。