《電子技術(shù)應(yīng)用》
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GaN FET的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用綜述
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
伍文俊,,蘭雪梅
西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,,陜西 西安710048
摘要: 隨著電力電子裝置的小型化和輕量化,寬禁帶半導(dǎo)體器件GaN FET優(yōu)于Si器件的特性使其在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注,。在GaN FET的發(fā)展中,,其結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)對其安全應(yīng)用至關(guān)重要。首先介紹了目前GaN FET器件的主要結(jié)構(gòu),、工作原理及其產(chǎn)品現(xiàn)狀,;其次,,總結(jié)了其驅(qū)動(dòng)電路的隔離方式、常用的分立式驅(qū)動(dòng)電路和集成式驅(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)及原理,;最后,,對GaN FET在電力電子領(lǐng)域的應(yīng)用情況進(jìn)行了概述。
中圖分類號: TN303
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.190961
中文引用格式: 伍文俊,,蘭雪梅. GaN FET的結(jié)構(gòu),、驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用綜述[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2020,,46(1):22-29,,38.
英文引用格式: Wu Wenjun,Lan Xuemei. Overview on GaN FET structure, driving and its application[J]. Application of Electronic Technique,,2020,,46(1):22-29,38.
Overview on GaN FET structure, driving and its application
Wu Wenjun,,Lan Xuemei
School of Automation and Information Engineering,,Xi′an University of Technology,Xi′an 710048,,China
Abstract: To make power electronic devices miniaturization and lightweight, GaN FET is paid extensive attention in power electronic application fields because of its advanced performance than Si device. GaN FET structure and its driving circuit have important impacts on operating safely and stably. In the paper, firstly, the GaN FET structure and its products are introduced; Secondly, the isolated method is described, then the principles of the discrete driving circuit and the integrated driving circuit are presented; Finally, GaN FET′s application is summarized.
Key words : GaN FET,;stucture;principle,;driving;product

0 引言

    氮化鎵(GaN)為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料,,在高溫,、高壓、高頻等應(yīng)用場合其半導(dǎo)體器件的特性都要優(yōu)于Si基半導(dǎo)體器件,,因此,,在電力電子的應(yīng)用領(lǐng)域備受矚目。

    用GaN材料制成的功率器件GaN FET具有低的擊穿電壓,、低的閾值電壓,、低的柵極電荷Qg,其開關(guān)頻率高,,導(dǎo)通電阻小,。GaN FET優(yōu)越的特性與其器件結(jié)構(gòu)有極大的關(guān)系。但是它的缺點(diǎn)也不可忽視,,在高頻應(yīng)用場合表現(xiàn)極為明顯,,比如其對寄生參數(shù)極其敏感,高頻使用時(shí)極易使柵極電壓產(chǎn)生振蕩,,引起柵極過電壓,,導(dǎo)致器件工作不穩(wěn)定,,甚至不安全。因此相較于傳統(tǒng)的Si基半導(dǎo)體器件的驅(qū)動(dòng)電路,,GaN FET的驅(qū)動(dòng)要求更為嚴(yán)苛,。GaN FET的進(jìn)步、應(yīng)用的發(fā)展與其器件結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路有密不可分的聯(lián)系,,因此,,其器件結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路的研究很有意義。本文將對當(dāng)前國內(nèi)外GaN FET的器件結(jié)構(gòu),、驅(qū)動(dòng)電路及其在電機(jī)驅(qū)動(dòng),、LED驅(qū)動(dòng)、光伏逆變器,、POL等場合中的應(yīng)用進(jìn)行綜述,。

1 GaN FET的器件結(jié)構(gòu)及工作原理

    GaN FET器件的結(jié)構(gòu)目前主要有耗盡型(Depletion mode,D-mode)和增強(qiáng)型(Enhancement mode,,E-mode),。增強(qiáng)型GaN FET又分單體GaN和Cascade GaN(共柵共源)。

1.1 耗盡型GaN FET

    耗盡型GaN FET的器件結(jié)構(gòu)如圖1所示,。耗盡型GaN FET采用Si材料作為GaN FET的基片,,在Si基片基礎(chǔ)上生長出高阻性的GaN晶體層,即氮化鎵通道層(GaN channel),。一般在GaN層和Si襯底層之間添加氮化鋁(AIN)絕緣層作為氮化鎵緩沖層(GaN buffer),,將器件和襯底隔離開來。AlGaN層存在GaN層和柵極(G),、源極(S)和漏極(D)之間,;AlGaN層和GaN層之間可以產(chǎn)生具有高電子遷移率、低電阻特性的二維電子氣(Two-Dimensional Electron Gas,,2DEG),,且它的濃度隨AlGaN厚度先線性增加,然后達(dá)到飽和,。

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    與Si傳統(tǒng)器件不同,,耗盡型GaN FET由于氮化物極強(qiáng)的極化效應(yīng),AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)可以通過自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)在其界面形成很高濃度2DEG導(dǎo)電溝道,,在零柵壓下,,器件處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此往往需要負(fù)壓關(guān)斷,。耗盡型GaN FET不同于Si MOSFET的是,,由于其柵極下方不存在與S極連接的P型寄生雙極性區(qū),因此沒有寄生體二極管,,故而器件開關(guān)損耗小,、具有對稱的傳導(dǎo)特性,。因此GaN FET可由正柵源電壓VGS或正柵漏電壓VGD驅(qū)動(dòng)。

1.2 增強(qiáng)型GaN FET

    對于耗盡型GaN FET,,要關(guān)斷器件,,必須加負(fù)柵壓。這意味著電路中一旦有耗盡型GaN FET,,就會(huì)增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,,而且易發(fā)生誤導(dǎo)通,有直通的潛在威脅,,使電路穩(wěn)定性和安全性降低,。增強(qiáng)型GaN FET則相反,只有加正偏壓才會(huì)導(dǎo)通,,減小了電路復(fù)雜性,,穩(wěn)定性和安全性也較好。目前,,增強(qiáng)型GaN FET主要是在耗盡型高電子遷移率晶體管(Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor,,GaN HEMT)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。目前主要的增強(qiáng)型GaN FET結(jié)構(gòu)方案包括:P型柵,、凹槽柵,、Cascode結(jié)構(gòu)等。

1.2.1 P型柵結(jié)構(gòu)

    有很多學(xué)者研究P型柵結(jié)構(gòu)的GaN FET,,如圖2所示[1-2],。與耗盡型不同的是,P型柵結(jié)構(gòu)是在AlGaN勢壘層上生長了一個(gè)帶正電的P型GaN柵極,,如圖2中的P-GaN層,。P型GaN層可以拉升AlGaN勢壘層的能帶,起到耗盡2DEG的作用,,以實(shí)現(xiàn)常斷特性。當(dāng)施加足夠的正VGS時(shí),,使柵源電壓大于閾值電壓,,P-GaN層的內(nèi)電場被削弱,2DEG濃度上升,,形成導(dǎo)通溝道,,GaN FET器件導(dǎo)通。隨著VGS的降低且小于閾值電壓,,溝道又逐漸關(guān)閉,,GaNFET器件關(guān)斷。因此,,這種結(jié)構(gòu)主要是通過控制P型柵極勢壘的電位,,升降A(chǔ)lGaN勢壘層的能帶,,使2DEG的濃度改變來實(shí)現(xiàn)對GaNFET器件的通斷控制。

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    文獻(xiàn)[3]在P型柵結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,,采用在P-GaN層上沉積TiN金屬,,形成三層掩膜的柵極結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)肖特基接觸,,如圖3所示,。這種結(jié)構(gòu)存在柵極場板,可增加高壓應(yīng)用場板設(shè)計(jì)的靈活性,。實(shí)驗(yàn)證明,,這種結(jié)構(gòu)具有低柵極電阻、降低高漏源電壓VDS時(shí)的導(dǎo)通電阻RDS-ON等優(yōu)勢,,且相比采用歐姆接觸的P-GaN結(jié)構(gòu),,此結(jié)構(gòu)降低了柵極漏電流。

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1.2.2 凹槽柵結(jié)構(gòu)

    凹槽柵[4]結(jié)構(gòu)如圖4所示,,此結(jié)構(gòu)通過電感耦合等離子體(Inductively Couple Plasma,,ICP)干法刻蝕技術(shù)刻蝕掉柵極下方區(qū)域一定厚度的AlGaN勢壘層,當(dāng)AlGaN勢壘層厚度減薄到一定程度時(shí),,溝道內(nèi)的2DEG濃度會(huì)足夠低[5],。凹型柵極下方的整個(gè)AlGaN勢壘層被去除,柵極下的2DEG消失,,柵極金屬下沉積了Al2O3膜作為柵極電介質(zhì),,可防止由于器件尺寸越來越小而引發(fā)嚴(yán)重柵極漏電流、擊穿電壓過低等問題,。在零柵壓下,,2DEG濃度小到可以忽略,器件處于關(guān)斷狀態(tài),。只有施加正柵壓后,,導(dǎo)電通道才會(huì)恢復(fù),實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通,,即實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型特性,。但除去柵極下方的勢壘層,AlGaN勢壘層其他區(qū)域的未被減薄,,2DEG濃度保持原有水平,。因此,凹槽柵技術(shù)制成的GaN FET在飽和電流和跨導(dǎo)方面較有優(yōu)勢,。

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1.2.3 Cascode結(jié)構(gòu)

    Cascode結(jié)構(gòu)是由高壓耗盡型GaN HEMT和低壓增強(qiáng)型Si MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)級聯(lián)構(gòu)成的,,如圖5所示。

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    從結(jié)構(gòu)可知,當(dāng)器件不加?xùn)艍呵衣┰措妷捍笥诹銜r(shí),,工作在正向阻斷模態(tài),;當(dāng)柵壓大于Si MOSFET的閾值電壓時(shí),器件正向?qū)?;一旦Si MOSFET反向?qū)?,器件將工作在反向?qū)B(tài)。又因?yàn)镾i MOSFET的漏源電壓Vds_Si給GaN HEMT的柵源電壓Vgs_GaN提供負(fù)偏置電壓,,因此控制Si MOSFET的通斷即可控制GaN HEMT的通斷,。當(dāng)然,這種結(jié)構(gòu)由于引入了硅基器件,,因此對封裝的要求較高,,體積也較大。

    與其他結(jié)構(gòu)GaNFET相比,,Cascode GaNFET的結(jié)構(gòu),,電壓等級較高、驅(qū)動(dòng)電壓范圍較寬,,但對dv/dt和di/dt敏感,,特別是在高頻時(shí),共源電感過大[6]可能會(huì)使器件損壞,。Andrew等人通過將智能柵極驅(qū)動(dòng)與Si MOSFET集成,,驅(qū)動(dòng)耗盡型GaN HEMT,形成智能Cascade GaNFET,,如圖6所示,。該智能Cascade GaNFET內(nèi)置電流檢測、可調(diào)輸出電阻,、可調(diào)電流檢測率和智能數(shù)字控制[7],。實(shí)驗(yàn)表明,此改進(jìn)的Cascode結(jié)構(gòu)通過利用動(dòng)態(tài)開關(guān)技術(shù),,可以減少柵極振蕩,、降低高電壓和電流轉(zhuǎn)換速率、解決dv/dt和di/dt問題,,優(yōu)化EMI,。

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2 GaN FET的產(chǎn)品現(xiàn)狀

    目前,生產(chǎn)耗盡型GaN FET的公司主要有美國Cree,,其產(chǎn)品主要的參數(shù)如表1所示,,為推廣耗盡型GaNHEMT的應(yīng)用,,Transphorm公司推出了Cascode結(jié)構(gòu)的GaN FET,。從表1可知Cree公司的GaN FET的閾值電壓為負(fù)值,充分體現(xiàn)了它在零柵壓下的常通特性。

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    增強(qiáng)型GaN FET的生產(chǎn)商則相對較多,,主要包括中國香港的EPC,、加拿大的GaN Systems、日本Panasonic公司等,,它們的主要參數(shù)見表2,。從表2可知,在增強(qiáng)型GaN FET產(chǎn)品中,,GaN Systems公司的電壓電流等級較高,,但閾值電壓較小,;EPC公司的電壓等級較低,,驅(qū)動(dòng)電壓范圍最窄,導(dǎo)通損耗較大,,但漏極電流等級最多,;Panasonic公司的電壓和電流等級最少,閾值電壓最低,,但開通較快,;Transphorm公司的電壓等級較高,驅(qū)動(dòng)范圍最廣,,閾值電壓較高[8],,使用較安全。

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    表3是GaN FET主要的封裝形式,,從表可知,,增強(qiáng)型GaN FET的封裝結(jié)構(gòu)中貼片式的使用較多,直插式的較少,。貼片式的外部引腳寄生效應(yīng)影響較小,,但不利于散熱;直插式則相反,,其散熱能力較好,,但高頻時(shí)往往易受寄生參數(shù)影響。

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    此外,,除單體GaN器件,,還有集成式GaN模塊產(chǎn)品。目前GaN集成形式最多的是GaN半橋模塊,,主要有EPC和GaN Systems在生產(chǎn),。其中EPC2104(100 V,30 A),、GS66508T(650 V,,30 A)分別是兩家公司等級最高的GaN半橋模塊產(chǎn)品。

3 GaN FET的驅(qū)動(dòng)

3.1 隔離方式

    驅(qū)動(dòng)電路位于主電路與控制電路之間,其輸出與主電路有耦合關(guān)系,,其輸入與控制電路相連,。因此,驅(qū)動(dòng)電路往往需要隔離設(shè)計(jì),。一般的隔離方式主要分為光耦隔離和變壓器隔離,。目前,相較于變壓器隔離,,GaN FET驅(qū)動(dòng)電路的隔離中用光耦隔離[9-10]的較多,。光耦隔離的參數(shù)設(shè)計(jì)較簡單,但其輸出需要隔離驅(qū)動(dòng)電源,。目前,,GaN FET驅(qū)動(dòng)電路的分類主要是由分立元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路和以集成器件為主構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路的基本要求

    增強(qiáng)型GaN FET的低柵源電壓VGS,、低閾值電壓VTH以及寄生參數(shù)等影響,使得傳統(tǒng)的Si驅(qū)動(dòng)電路不再適用于GaN,,GaNFET的驅(qū)動(dòng)要求更為嚴(yán)格,其驅(qū)動(dòng)電路至少具備以下三個(gè)功能:

    (1)驅(qū)動(dòng)信號可靠性,。驅(qū)動(dòng)信號的可靠性對于驅(qū)動(dòng)電路來說是很重要的,,驅(qū)動(dòng)信號一旦不穩(wěn)定極有可能損壞GaN器件。因此,,一定要保證驅(qū)動(dòng)信號可靠傳輸,。一般在通信系統(tǒng)中或使用頻率在兆赫茲等級以上時(shí),常用微波驅(qū)動(dòng)(Drive-by-Mcrowave,,DBM)技術(shù)來傳輸驅(qū)動(dòng)信號[11],。

    (2)抗擾性能。GaN FET的低閾值電壓使其對di/dt,、dv/dt和寄生電感極其敏感,,若驅(qū)動(dòng)的抗擾性不好,開關(guān)頻率的增加不僅使器件損耗增多,,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞器件,。因此,驅(qū)動(dòng)需要較好的抗擾性,。一般采取減小共源電感,、增加驅(qū)動(dòng)電阻等方法提高驅(qū)動(dòng)抗擾性。

    (3)漏源回路寄生電感小,。GaN FET柵極信號的噪聲[12]和振蕩很強(qiáng),,一旦回路寄生電感過大會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)過電壓和寄生振蕩,導(dǎo)致額外的損耗,。因此可優(yōu)化驅(qū)動(dòng)回路,,減小寄生電感,。

3.3 分立式GaN FET驅(qū)動(dòng)電路

    增強(qiáng)型GaN FET一般的分立式驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。分立式驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)電源VCC,、PWM信號、隔離和柵極電阻RG等基本部分組成,。前面幾部分主要是給GaN FET提供驅(qū)動(dòng)電壓VGS,。

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    圖8為GaN FET峰值箝位驅(qū)動(dòng)電路。通過加入二極管-電阻-電容網(wǎng)絡(luò)對柵極進(jìn)行箝位保護(hù)[13],,此箝位電路可以有效抑制開通過程的柵極電壓峰值和漏極電流峰值,。其中,R1和C1可使器件快速開關(guān)并抑制柵極電壓峰值,,但在關(guān)斷過程會(huì)產(chǎn)生負(fù)的柵極電壓尖峰,;故用D1、R3支路提高關(guān)斷時(shí)C1的放電速率,,且R3越大,,C1放電越快。

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    文獻(xiàn)[14]提出了一種降低反向?qū)〒p耗的GaN FET的新型柵驅(qū)動(dòng)電路,,如圖9所示,。作者在分壓型驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上加入了由電阻R3、電容C3,、P溝道MOSFET自激開關(guān)Q1和二極管Dg組成的電路,,如圖9虛線部分所示。其中,,C3,、R3的值要比C2、R2的值大得多,,因此,,C2比C3充放電快得多。關(guān)斷時(shí),,未改進(jìn)前的分壓驅(qū)動(dòng)中,,分壓電容C2存儲的電荷會(huì)產(chǎn)生高負(fù)VGS使反向?qū)〒p耗增加。改進(jìn)后,,加入的虛線部分電路可使C2放電,,使VGS幾乎降為零。另外,,VGS受二極管Dg的正向壓降限制,。因此,該驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有效減少了器件反向特性引起的損耗,。

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    文獻(xiàn)[15]基于Transphorm公司的雙向GaN,,設(shè)計(jì)具有抗dv/dt的雙向GaN FET驅(qū)動(dòng)電路,,如圖10所示。數(shù)字隔離器具有高共模瞬態(tài)抗擾度,,可防止高dv/dt的影響,;鐵氧體磁珠用來抑制柵極電壓的振蕩;緩沖電路放在器件附近可以抑制浪涌電壓,。

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    目前,,已有的可變柵極驅(qū)動(dòng)在瞬態(tài)期間或之外只能改變每次開關(guān)事件的一次單驅(qū)動(dòng)參數(shù),而文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)的有源驅(qū)動(dòng)在開關(guān)瞬態(tài)期間,,可激活0.12 Ω~64 Ω間的任意上拉或下拉柵極驅(qū)動(dòng)輸出電阻,,且達(dá)到6.7 GHz的有效電阻更新率,電路如圖11所示,。實(shí)驗(yàn)表明,,開環(huán)有源柵極驅(qū)動(dòng)能保持低開關(guān)損耗,減少過沖,、振蕩和EMI,。

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3.4 集成式GaN FET驅(qū)動(dòng)電路

    一般的分立式驅(qū)動(dòng)電路分立元件多,電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,,導(dǎo)致保護(hù)也復(fù)雜,,從而可靠性變差。因此,,實(shí)際應(yīng)用中大多采用集成驅(qū)動(dòng)電路,。集成式驅(qū)動(dòng)電路主要由驅(qū)動(dòng)芯片和其他元件組成,如圖12所示,。而在GaN FET的集成驅(qū)動(dòng)中,,常用的驅(qū)動(dòng)芯片有LM5113[17-22]、UCC27611[9,,21],、UCC21520[23]等。

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3.4.1 LM5113集成式驅(qū)動(dòng)電路

    LM5113是專為驅(qū)動(dòng)同步buck或半橋配置的高端和低端增強(qiáng)型GaN FET而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片,。該芯片采用自舉技術(shù)生成高端偏置電壓,,并在內(nèi)部將其箝位在5.2 V,防止柵極電壓超過GaN FET 的最大柵源電壓額定值,。

    文獻(xiàn)[22]提出了三電平驅(qū)動(dòng)技術(shù),,驅(qū)動(dòng)電路如圖13所示。只有當(dāng)在死區(qū)時(shí)間,,CON為高信號時(shí),,下管Vgs變?yōu)閂x(Vx<Vth)。理論上,,當(dāng)Vx接近Vth時(shí),,反向?qū)▔航禐?,。實(shí)驗(yàn)證明,與兩電平驅(qū)動(dòng)相比,,該驅(qū)動(dòng)使GaN FET反向?qū)▔航档玫接行Ы档?,從而提高了變換器的效率。

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3.4.2 UCC27611集成式驅(qū)動(dòng)電路

    UCC27611是單通道高速柵極驅(qū)動(dòng)器,,驅(qū)動(dòng)電壓VREF被內(nèi)部線性穩(wěn)壓器精確穩(wěn)壓至5 V,。其具有最低寄生電感的封裝和引腳分配,減少了上升和下降時(shí)間并限制了振鈴,。文獻(xiàn)[21]采用的集成驅(qū)動(dòng)電路如圖14所示,此電路的回路面積只有原來的1/30,,有效減少了寄生電感,,從而減少了對驅(qū)動(dòng)電壓的干擾。

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    文獻(xiàn)[9]基于UCC17611設(shè)計(jì)的集成驅(qū)動(dòng)不同于圖14,,其設(shè)計(jì)的電路在驅(qū)動(dòng)橋壁上管時(shí)驅(qū)動(dòng)信號先經(jīng)通用CMOS鎖相環(huán)集成電路CD4046,,再經(jīng)光耦數(shù)字隔離器Si8610BC后才由UCC27611驅(qū)動(dòng),而下管驅(qū)動(dòng)信號則不隔離直接經(jīng)過UCC27611驅(qū)動(dòng),。這種方式可以避免橋壁直通,,因?yàn)樯瞎艿尿?qū)動(dòng)信號經(jīng)過光耦等元件后,必定與下管驅(qū)動(dòng)信號不同步,,有延時(shí),。 

3.4.3 UCC21520集成式驅(qū)動(dòng)電路

    UCC21520是隔離雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器,輸出的兩通道驅(qū)動(dòng)信號互補(bǔ),。當(dāng)PWM信號INA為高電平時(shí),,輸出OUTA驅(qū)動(dòng)上管開通;INB為高電平時(shí),,輸出OUTB驅(qū)動(dòng)下管,,且INA與INB是互補(bǔ)信號。文獻(xiàn)[23]采用UCC21520設(shè)計(jì)了含有源箝位的GaNFET驅(qū)動(dòng)如圖15所示,。由于芯片內(nèi)部集成有死區(qū)電路,,所以可通過改變驅(qū)動(dòng)電路中外接電阻R29的阻值來調(diào)節(jié)死區(qū)。磁珠起減緩柵極電路中產(chǎn)生較大電壓振蕩的作用,;穩(wěn)壓管用來防止柵源電壓VGS波動(dòng)太大使開關(guān)損壞,;箝位三極管V6可抑制干擾導(dǎo)致誤開通的現(xiàn)象??梢?,該集成驅(qū)動(dòng)電路的抗擾性較好。

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4 GaN FET的典型應(yīng)用

4.1 在電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

    眾所周知,,在電力工業(yè)中60%以上負(fù)載是電機(jī),。在節(jié)能減排的大環(huán)境下,,電機(jī)的驅(qū)動(dòng)變換器向低功耗、高功率密度,、高效率發(fā)展,。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),人們把目光轉(zhuǎn)向GaN等功率器件,,利用GaN FET的特性提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)變換器的性能,。

    文獻(xiàn)[1]針對5 kW三相電機(jī),采用了GaN 3×3逆變模塊完成了矩陣變換器的控制,,大大減小了系統(tǒng)的損耗和體積,。在10 kHz工作時(shí),變換器效率達(dá)到96%,,功耗低于1 W,,體積減少不少于1%。 

    同樣在5 kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)中,,由于傳統(tǒng)隔離柵極驅(qū)動(dòng)器在高溫下光耦的使用壽命短,,因此文獻(xiàn)[24]設(shè)計(jì)了適于高溫的帶隔離的微波驅(qū)動(dòng)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。此驅(qū)動(dòng)采用PGA26C09DV,,使得GaN逆變器工作在1 MHz時(shí),,開關(guān)損耗恒為0.9 W,效率達(dá)到了94%[11],,且在140°的環(huán)境溫度中也能提供足夠的柵極功率,。

    文獻(xiàn)[25]通過對采用型號為TPH3206LD的GaN FET和型號為IPL60R185P7的Si MOSFET的三相逆變器的性能比較后發(fā)現(xiàn),開關(guān)頻率在10 kHz~100 kHz變化時(shí),,GaN逆變器的開關(guān)損耗占總損耗的12%~55%,、效率在97.8%~96.4%之間;而Si的損耗為36%~77%,,10 kHz時(shí)效率只有96.9%,。可見,,GaN逆變器應(yīng)用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)中,,其性能要優(yōu)于Si的,也更有潛力,。

4.2 在LED驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

    LED壽命長,、效率高、節(jié)能等優(yōu)勢使其越來越受歡迎,,但LED是直流供電,,因此變換器成為其必不可少的一部分。由于變換器極貼近LED燈,,這要求變換器小型化,、能在高溫下運(yùn)行,。而小型化需要開關(guān)頻率在兆赫茲范圍,因此GaN等新型寬禁帶半導(dǎo)體在LED驅(qū)動(dòng)中有潛在的市場,。

    Eric等人提出一種小而簡單的模擬磁滯控制谷底開關(guān)(準(zhǔn)諧振)浮動(dòng)Buck變換器[26],,該變換器使用了GaN FET器件。并通過實(shí)驗(yàn)證明,,600 V GaN FET在MHz頻率等級的優(yōu)越開關(guān)性能使得變換器尺寸有效減小,,從而進(jìn)一步提高了功率密度,并使20 W的LED在2.5~4.4 MHz時(shí)效率達(dá)到91.2%,??梢姡珿aN FET在LED驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的前景非??捎^,。

4.3 其他應(yīng)用場合

4.3.1 光伏逆變器

    光伏電池板與電網(wǎng)存在電氣連接,逆變器的高頻行為所導(dǎo)致的共模電壓通過光伏板與大地之間的寄生電容,,形成共模電流,,而共模電流會(huì)引起并網(wǎng)電流的畸變,,產(chǎn)生電磁干擾,,嚴(yán)重時(shí)會(huì)對人的安全產(chǎn)生威脅。因此,,需要抑制或消除非隔離型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的共模電流,,基于型號TPH3006PS的GaN雙buck并網(wǎng)逆變器有效解決了這個(gè)問題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,,其效率達(dá)到98.63%[27],。

4.3.2 POL

    隨著負(fù)載點(diǎn)技術(shù)(Point of Load,POL)在信息通信技術(shù)ICT設(shè)備中的應(yīng)用,,開關(guān)頻率達(dá)到30 MHz時(shí),,減少寄生阻抗成為GaN基同步DC/DC變換器的最大挑戰(zhàn)[28]。Akagi等人通過設(shè)計(jì)柵極驅(qū)動(dòng)IC并在上面加入3D堆疊電源SoC(Stacked-on-Chip),,使變換器在30 MHz下最大效率達(dá)到了59%,,優(yōu)化后最高效率預(yù)計(jì)為85%??梢?,型號為EPC8002的GaN FET在高頻上頗有優(yōu)勢。

    目前,,GaN FET在電力電子裝置應(yīng)用廣泛,。研究者主要是利用GaN FET高的開關(guān)頻率、低的開關(guān)損耗等優(yōu)勢,,通過提高變換器工作頻率減小裝置體積,,進(jìn)而提高裝置效率,、降低裝置成本、增加收益,。

    表4給出了GaN FET變換器在其他方面的應(yīng)用研究情況,。從表中可以看到,GaN FET目前多用在中小功率變換器上,,隨著開關(guān)頻率的提高,,變換器效率降低,但基本在90%及以上,。實(shí)驗(yàn)證明,,效率的降低與開關(guān)損耗機(jī)理有關(guān)[29]。當(dāng)然,,除了提高效率,,用GaN FET設(shè)計(jì)的功率1 kW以上的變換器,輸出電壓和電流紋波很小[30-31],。此外,,采用GaN FET并聯(lián)技術(shù)[32-34]有可能使其應(yīng)用到10 kW及以上的大功率場合??梢?,GaN FET在變換器的應(yīng)用前景廣闊。

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5 結(jié)論

    通過對GaN FET的器件結(jié)構(gòu),、驅(qū)動(dòng)電路以及應(yīng)用的研究,,可以看出只要解決GaN FET高頻下獨(dú)特的柵極振蕩問題,就能極大地推動(dòng)它的發(fā)展,。一般可從兩方面著手,,一是設(shè)計(jì)性能更好的器件結(jié)構(gòu);二是設(shè)計(jì)更合理的驅(qū)動(dòng)電路,。雖然GaN FET目前在中小功率場合更有優(yōu)勢,,但未來,隨著對GaN FET性能的不斷改進(jìn)和提高,,更多大功率場合也必然有GaN FET的一席之地,。

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作者信息:

伍文俊,,蘭雪梅

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,陜西 西安710048)

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