从实际应用中吸取经验：如何驱动宽带隙半导体器件的栅极

作者：Riccardo Collura，EMEA 垂直部门经理（电源），富昌电子

为硅 MOSFET 或 IGBT 设计栅极驱动电路时，工程师总是必须对长期的成本/性能权衡做出精确判断。设计人员对所选开关的特定特性的理解有助于做出决策，例如是使用隔离式驱动器还是非隔离式驱动器，以及应用中可接受的最大传播延迟。开发这些电路的数十年经验提供了丰富的专业知识、文献和最佳实践可供借鉴。

但适用于硅晶体管的设计指南不能直接应用于新一代宽带隙 (WBG) 半导体的栅极驱动电路：碳化硅 (SiC) MOSFET 和氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (HEMT)。

本文借鉴富昌电子在开发用于无桥图腾柱功率因数校正 (PFC) 系统的 GaNdalf 参考设计板和 TobogGaN 超紧凑型 60 W AC-DC 转换器时的经验，提供了为 WBG 半导体选择分立栅极驱动器时的潜在陷阱的应对方案。

影响栅极驱动器性能的关键参数

设计人员通常会研究数据手册中规定的少量关键参数，以衡量分立式栅极驱动器的性能。这些参数包括：

· 负输入/输出电压处理：这表明了存在由非理想电路板布局产生的寄生电容和电感的情况下，电路对地平面反弹噪声的敏感程度。
· 传播延迟：延迟越短，对控制信号的响应越快。这会严重影响高频开关应用中的性能。例如，过长的传播延迟会破坏初级侧驱动器和次级侧同步整流驱动器的时序。
· 延迟匹配：在用于驱动多个并联开关的双通道栅极驱动器中，更好的延迟匹配有助于提高电路的稳健性和可靠性。
· 工作温度范围：较高的最高工作温度使其可承受在较高环境温度下的较高功耗。

图 1 展示了硅功率开关（MOSFET 和 IGBT）以及 WBG 半导体的这些参数的典型值。很明显，硅和 WBG 器件之间的关键参数存在一些实质性差异，甚至 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 也是如此。SiC MOSFET 和 GaN HEMT 可以在比标准硅器件高十倍的频率下工作，并且可以承受更高的温度，同时产生更低的开关和传导损耗。这些特性对电动汽车充电器、USB Type-C® 电源适配器、太阳能逆变器等应用的设计人员极具吸引力：在所有这些应用中，使用 WBG 开关可以开发出更小、更轻、更高效的电源电路。

图 1：各种类型电源开关的典型规格（图片来源：富昌电子）

WBG 驱动器的设计要求

硅和 WBG 开关的较大差异意味着 WBG 器件需要专用的栅极驱动器。对 WBG 器件需求的增长正促使 WBG 器件制造商在栅极驱动器上加大投资，以补充其开关产品。更多供货和产品选择使市场更具竞争力，从而减少了这些专用器件的溢价。

那么哪些问题决定了如何为 SiC MOSFET 或 GaN HEMT 选择合适的栅极驱动器？

第一个要考虑的问题是器件用于哪种拓扑结构。对于 DC-DC 功率级中的 LLC 电路等软开关拓扑，不一定需要隔离驱动器，可以使用更经济的非隔离驱动器。

对于硬开关拓扑，例如 GaNdalf 参考设计中的无桥图腾柱 PFC 系统，情况有所不同。这里推荐使用隔离式栅极驱动器，至少在高边开关中使用。

对于半桥拓扑，半桥（双）栅极驱动器通过将桥的高边和低边驱动器集成在一个封装里以节省空间。然而，有时两个单通道驱动器为设计人员提供了更大的灵活性。在开关频率高于 150 kHz 的应用中，使用两个驱动器有助于降低共模噪声。

GaN HEMT 驱动器的选择取决于它是两种类型中的哪一种：级联型更易于驱动，因为它具有集成的低压硅 FET。栅极驱动器驱动这个 FET，而不是 GaN 器件本身，因此用于硅器件的标准、经济的栅极驱动器是合适选择。缺点是这种低压 FET 会增加输出电容，从而限制了开关速度 (dv/dt)，导致更高的开关损耗。

另一种类型是增强型（e 型）GaN HEMT。它需要一个专用的 GaN 栅极驱动器，下面会详细介绍。

用于 SiC MOSFET 的栅极驱动器

设计工程师最终为 SiC MOSFET 选择专用栅极驱动器的原因之一是每个 MOSFET 制造商都推荐不同的栅-源电压来驱动他们的产品。一些制造商会建议用户用负电压驱动他们的 SiC MOSFET。这可确保器件完全关断，并消除了在有低栅-源电压阈值的器件中出现虚假导通的风险。对于其他人来说，关断器件不需要负电压，因为它们具有更高的栅-源电压阈值。

在评估驱动器时，数据手册可说明 SiC MOSFET 的工作方式。研究的主要参数是：

· 不同温度下的传输特性 Id = f(Vgs)
· 不同栅源电压 Vgs 下的输出特性 Id = f(Vds)
· 不同 Vgs 下的漏源导通电阻 Rds(on) = f(Id)

事实上，栅-源电压对导通电阻有很大影响：根据数据手册，有时导通电阻较低的 SiC MOSFET 最终会导致较高的传导损耗，仅仅是因为没有采用推荐的栅-源电压。

开关损耗也受到电源系统设计的强烈影响。电容导通是 SiC MOSFET 中高开关损耗的常见原因。如果与器件电容比相关的感应栅-源电压高于标称阈值电压，则电容导通的风险较高，如图 2 所示。当阈值电压高于感应栅-源电压时，设计人员应寻求一个积极的平衡，以保护器件免受寄生导通的危害。

图 2：SiC MOSFET 中的电容导通效应（图片来源：英飞凌）

为快速开关 SiC MOSFET 选定栅极驱动器时需要注意的另一个问题是噪声。需要考虑的一个重要参数是栅-漏电容 Cgd。当高栅-漏电容与低阈值电压相结合时，MOSFET 可能容易受到米勒导通效应的影响。此外，由于器件固有电容引起的电压耦合会导致不良的开关波形和不良的交叉传导效应。

有一个补救措施：富昌电子的建议是查看 SiC MOSFET 的数据手册中栅-漏电容的额定值，以及栅-源电容与栅-漏电容的比率。如果栅-漏电容相对较高，可能需要选择具有米勒钳位功能的栅极驱动器。在栅-源电容和栅-漏电容之比较低的情况下，最好使用外部电容器提高栅-源电容。

富昌电子卓越工程中心使用 GaNdalf 开发平台进行的评估表明，具有米勒钳位功能的驱动器与额外的栅-源电容相结合，改善了开关性能和系统的整体运行，显著提高了效率并改善了开关波形，降低了总谐波失真。

经验表明，使用专用 SiC 栅极驱动器可实现最佳性能。不过，可以选择更简单、更经济的栅极驱动器：在这种情况下，设计人员必须实施外部电路来调节 SiC MOSFET 的运行，否则系统可能会遇到严重的热问题，从而导致效率降低和 EMI 增加。

增强模式 GaN HEMT 的栅极驱动器

增强模式 GaN HEMT（例如英飞凌的 CoolGaN™ 系列）具有低阈值电压，通常为 1.2 V，在 8 V 驱动电压下，峰值栅极驱动电流通常小于 1 A。为使器件保持在导通状态，需要 5 mA 至 10 mA 的稳态电流。

负栅-源电压可关断 HEMT，从栅极吸收电流峰值。然后电压恢复为 0 V，并在较长时间间隔后恢复为负值，以保持关断状态，如图 3 所示。

图 3：GaN HEMT 在开关周期内的电压和电流波形（图片来源：英飞凌）

选择能够配置这些操作时序的驱动器非常重要：这可以避免损害 HEMT 的风险，因为栅-源电压上的单个过冲可能会永久损坏器件。

集成式驱动器和HEMT的优势

在大多数低功率应用中，即功率小于 1 kW 的应用中，驱动器通常与 GaN HEMT 集成。单个封装简化了电路板布局并减少了高频开关产生的 EMI 泄漏到系统其余部分。

这种集成器件的示例是 Power Integrations 的 InnoSwitch™3 和 InnoSwitch4-CZ，适用于高达 100 W 的应用。这些器件集成了额定电压高达 750 V 的 PowiGaN HEMT、准谐振功率控制器、无需光耦合器的 FluxLink™ 接口，以及同步整流控制器。

设计人员可以使用这些器件实现非常高的功率密度：富昌电子的 TobogGaN 板是一款 60 W AC-DC电源，尺寸为 58 mm x 49 mm x 32 mm，功率密度为 20 W/in3。该板的核心是 Power Integrations 的 InnoSwitch3-Pro。

另一种选择是意法半导体的 MasterGaN® 平台，适用于高达 500 W 的软开关拓扑。

此外，英飞凌的 CoolGaN 集成功率级 (IPS) 将 CoolGaN 600 V 增强模式 GaN 开关与采用热增强 QFN 封装的专用 EiceDRIVER™ 栅极驱动器配对。该 IPS 器件提供单通道和半桥配置。

用于匹配驱动器和开关的成熟技术

本文表明，在为 SiC MOSFET 或 GaN HEMT 选择栅极驱动器时需要格外小心，但如果实施得当，基于 WBG 半导体的电源系统能够以低于硅的成本提供更高的性能和可靠性。

用于 SiC MOSFET 的栅极驱动器需要仔细检查数据手册中的值，并注意寄生导通事件的风险，而 GaN HEMT 的用户则可以在多种集成式驱动器/开关封装中进行选择，它们在为中低功率应用选择合适的驱动器时提供了现成的解决方案。

开发板

开发板名称：GaNdalf II
开发板制造商：富昌电子
说明：GaNdalf II 板为基于英飞凌最新 CoolGaN 增强型功率晶体管设计无桥功率因数校正电路提供了适应性强且灵活的方案。GaNdalf II 提供高于 99% 的峰值效率和低于 5% 的总谐波失真，是驱动高达 2 kW 负载的高效电源转换设计的理想起点。

开发板名称：TobogGaN
开发板制造商：富昌电子
说明：60 W TobogGaN 参考设计板是用于工业和通信辅助电源的完整 AC-DC 转换器。它也适用于任何需要高效率、小尺寸的通用应用或可在多个终端产品中使用单一设计的灵活性。
开发板的核心是 Power Integrations 的 InnoSwitch™3-Pro，这是一款高度集成的反激式控制器，可减少元器件数量并节省电路板空间。

附录：术语表

阈值电压：栅极电容充电到器件刚好导通时的最低电压。

共模瞬态抗扰度 (CMTI)：隔离式栅极驱动器的关键规范，它是施加在两个隔离式电路之间的共模电压的最大可容忍上升或下降速率。通常以 kV/μs 或 V/ns 为单位。高 CMTI 意味着发射器侧和接收器侧的两个隔离电路将在数据手册规范内正常工作。

负栅极驱动电压：高压 MOSFET 一般不需要，有时用于 IGBT。大多数 SiC 和 GaN 开关肯定需要它。

米勒钳位：一种低阻抗开关，可重定向由 dv/dt 感应的电流。米勒钳位通过将 MOSFET 的栅极连接到地或连接到负电压轨，使器件保持在关断状态。

DESAT：最常见的过流保护电路。它是许多应用的默认选择，因为它易于实现。

自举电路：由开关、电容和二极管组成的升压电荷泵，将一个等于开关电压（Vin）和内部电源电压之和的电压用作高边 N 沟道 MOSFET 的栅极驱动。

死区时间：两个器件都无动作的时间段，以避免半桥配置中出现任何潜在的同时导通。有几个因素会影响死区时间设置：脉冲宽度失真、传播延迟以及上升和下降时间。保持最小死区时间以提高转换器效率非常重要。在死区时间内，电流流过体二极管。体二极管的电压降比器件本身大得多，因此导通损耗也更高。死区时间越长，损耗就越高，从而降低效率并产生热量。因此，最好通过使用具有低脉宽失真、低传播延迟和较短上升和下降时间的栅极驱动器来最小化死区时间。

脉宽失真：由上升沿和下降沿的传播延迟不匹配决定。

传播延迟：栅极驱动器的关键参数之一，它会影响高频系统的损耗和安全性。它被定义为从输入变化 50% 到输出变化 50% 的时间延迟。这种延迟会影响器件之间的切换时序，这在死区时间或器件之间的关断时间有限的高频应用中至关重要。

欠压锁定 (UVLO)：监控栅极驱动器的电源引脚，以确保电压保持在某个阈值以上，从而保持正常运行。