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GaN宽禁带半导体功率场效应晶体管驱动优化的研究
作者：王宇萌吴比来源：《商情》2017年第21期
【摘要】作为新一代半导体功率器件，GaN（氮化镓）宽禁带半导体功率场效应管具有许多Si材料不具备的优异性能，可降低损耗，提高效率，完成器件小型化的要求，是Si材料的有力替代者。但其与传统的SiMOSFET还存在诸多差异，如其反向导通特性的不同及栅极电压的严格控制。本文旨在研究GaN功率晶体管的合理驱动方式。基于对GaN晶体管的特性分析，探究其在同步整流Buck变换器中的应用特性，最终完成了对GaN功率器件的驱动电路的设计，得到其在200kHz下的驱动波形。【关键词】氮化镓GaN器件Buck变换器驱动电路1GaN功率晶体管的特性分析以美国宜普（EPC）公司推出的增强型低压GaN功率晶体管为例，其利用AlN隔离层解决了硅衬底与氮化镓的晶格适配问题。另外，由于结构材料特性，MOSFET中物理存在着一个寄生的二极管，俗称体二极管（bodydiode）。显然，由于结构上的不一样，GaN功率晶体管中并不存在这样一个体二极管。且对比增强型GaN功率晶体管、MOSFET的VI特性曲线可知，两者的工作模式类似，但第三象限的工作模式不同。给定的驱动电压下，GaN功率晶体管保持其在第一象限的恒阻特性。大多数场合，只需要关注功率晶体管在第一象限的特性，但由于本文要探究GaN晶体管在同步整流Buck变换器中的应用特性，需要关注在驱动信号建立之前器件是否反向导通。且GaN功率晶体管中并没有体二极管，在驱动信号没有建立之前，其反向工作机制能否建立是GaN功率晶体管能否在此类场合中应用的关键。2驱动电路设计本次实验采用EPC公司生产的GaN晶体管epc2007，针对其对栅极电压的要求，选用TI公司的LM5114作为驱动芯片。LM5114内部结构其最大峰值灌电流达到76A，具有同时驱动多个并联晶体管的能力，能够在低压大电流场合发挥优势；两个独立输出端的结构能够分别调节开通和关断的速度，适合高频应用场合，典型的驱动电路，该芯片外围电路简单，作为单驱动高平性能优异。
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选取LM5114作为驱动芯片，搭建驱动电路。原理图如图4所示，其中，Si8410BB为数字隔离芯片，用于驱动信号数字地与主电路模拟地的隔离。其中A1为输入端，与GND1组成驱动信号回路；B1为输出端，对应的地位GND2；VDD1和VDD2分别为隔离前后的供电电源。DSP输出的驱动脉冲信号经过滤波输入到隔离芯片，经过隔离后输出给驱动芯片LM5114的正向逻辑输入r