GaN 正在實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更高效率的電源轉(zhuǎn)換器。與 Si MOSFET 相比，GaN 提供更快的開關(guān)速度、更小的輸出電荷和更低的開關(guān)損耗。與 MOSFET 不同，GaN FET 的橫向結(jié)構(gòu)內(nèi)沒有 p-n 結(jié)，也沒有體二極管，也沒有反向恢復(fù)電荷 (Qrr)。通過消除反向恢復(fù)損耗，GaN 可在硬開關(guān)拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)高效的高開關(guān)頻率操作。例如，在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下的無橋圖騰柱功率因數(shù)校正 (PFC) 中，使用超級(jí)結(jié) MOSFET 是不切實(shí)際的，因?yàn)樗鼈兙哂泻芨叩姆聪蚧謴?fù)損耗。如圖1所示，通過使用GaN FET作為高頻開關(guān)，反向恢復(fù)損耗完全消除，開關(guān)相關(guān)損耗顯著降低。交流驅(qū)動(dòng)器的逆變器是另一種有益的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其低開關(guān)損耗和無反向恢復(fù)損耗可縮小緊湊型伺服驅(qū)動(dòng)器和集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的散熱器尺寸。

圖1 使用 GaN 作為高頻開關(guān)和 Si MOSFET 作為整流器的無橋圖騰柱 PFC

當(dāng)電流通過體二極管或溝道從源極流向漏極端時(shí)，功率 MOSFET 將進(jìn)入第三象限操作。 盡管 GaN FET 沒有體二極管，但該器件的對(duì)稱性有助于在第三象限中以類似二極管的行為進(jìn)行傳導(dǎo)。 與 Si MOSFET 的情況類似，建議不要在 GaN FET 上添加反并聯(lián)二極管來傳導(dǎo)反向電流。 添加一個(gè)反并聯(lián)二極管會(huì)增加開關(guān)節(jié)點(diǎn)的輸出電容并增加開關(guān)損耗。 相反，可以通過優(yōu)化死區(qū)時(shí)間來最小化第三象限損耗。

一、GaN FET 的反向恢復(fù)

橫向 GaN 結(jié)構(gòu)由通過二維電子氣 (2DEG) 通道連接的源極和漏極組成。 柵極電壓控制溝道的導(dǎo)電性。 圖 2 顯示了橫向 GaN 結(jié)構(gòu)的簡化橫截面，說明了源極和漏極之間溝道區(qū)的對(duì)稱性。 在第三象限操作中，漏極和源極切換位置。 漏極電位低于開啟 GaN 器件的柵極，并允許在沒有體二極管的情況下反向傳導(dǎo)。

圖2 GaN FET 橫向結(jié)構(gòu)的橫截面

導(dǎo)通溝道（漏極到源極）的條件是柵源電壓 Vgs 高于閾值電壓 Vth，如圖 3 所示。 通道打開時(shí)，Vds 可以使用公式計(jì)算。

圖3 在正向和反向傳導(dǎo)中打開通道的條件

Vds= IdsRon

Ron 是第一象限中通道的導(dǎo)通電阻。

當(dāng) Vgs 小于 Vth 時(shí)，電流不能在第一象限傳導(dǎo)，但可以在第三象限流動(dòng)。當(dāng)電流反向流動(dòng)（第三象限）時(shí)，漏極和源極端子可以交換終端。導(dǎo)通溝道反向?qū)ǖ臈l件是柵漏電壓 Vgd 高于閾值電壓 Vth。像二極管一樣，GaN FET中的溝道自換向，Vsd自偏置，使Vgd達(dá)到Vth，溝道傳導(dǎo)反向電流。在此操作下，Vsd由Vth-Vgs偏置并隨著反向電流Isd增加如公式 2 所示。在等式中，Ron_reverse，當(dāng)器件工作在飽和區(qū)時(shí)，第三象限中具有關(guān)斷柵極的等效導(dǎo)通電阻取決于 Isd。建議參考數(shù)據(jù)表中的 IV 曲線來估計(jì)第三象限中的 Vsd。當(dāng)柵極在反向傳導(dǎo)期間導(dǎo)通時(shí)，Vgd 等于 (Vgs + Vsd)，高于 Vth，使溝道完全導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻與第一象限中的 Ron 相同。

Vsd ≈ (Vth - Vgs) + IsdRon_reverse

Ron_reverse 是第三象限中關(guān)斷門的等效導(dǎo)通電阻。

與 Si MOSFET 體二極管相比，GaN FET 具有更高的 Vsd 壓降，因?yàn)楫?dāng)柵極關(guān)閉時(shí) Vth - Vgs 通常高于 0.7 V。這可能會(huì)導(dǎo)致 GaN 比 Si MOSFET 更高的第三象限損耗。

圖 4 顯示了第一和第三象限中 GaN FET 的簡化行為。 上述分析對(duì)于增強(qiáng)型和耗盡型 GaN FET 均適用。

圖4 GaN 在第一和第三象限中的簡化行為

二、第三象限的工作和損失估計(jì)

為了進(jìn)一步解釋操作，圖 5 中顯示了一個(gè)使用 GaN 的同步升壓轉(zhuǎn)換器作為示例。 當(dāng) S1 關(guān)閉時(shí)，S2 進(jìn)入第三象限操作。 在 S2 打開之前，S2 像二極管一樣工作，遵循第三象限圖 4 中紅色曲線中的行為。 在死區(qū)時(shí)間 td2 之后，S2 通道打開，S2 的行為遵循圖 4 中第三象限中的藍(lán)色曲線。 S2 關(guān)斷后，S2 在 td1 的持續(xù)時(shí)間內(nèi)恢復(fù)二極管動(dòng)作。

圖5 升壓轉(zhuǎn)換器中的第三象限操作

上述行為與 Si MOSFET 的不同之處在于，在死區(qū)時(shí)間 td1、td2 期間 Vds 下降、Vrev1 和 Vrev2 較高。 計(jì)算死區(qū)時(shí)間損失。

Pdt = fsw*td1*Vrev1*iL_vl + fsw*(td2 - tr )*Vrev2*iL_pk

fsw 是開關(guān)頻率

tr 是 S1 Vds 的上升時(shí)間

iL_pk、iL_vl 分別為電感電流的峰值和谷值

Vrev1和Vrev2分別是iL_vl、iL_pk下對(duì)應(yīng)的第三象限壓降

對(duì)于硬開關(guān)邊沿，死區(qū)時(shí)間由輸入電荷、柵極驅(qū)動(dòng)器傳播延遲和失配決定。 對(duì)于軟切換邊沿，dv/dt 壓擺率是另一個(gè)主要限制因素。

三、如何最大限度地減少死區(qū)時(shí)間損失

設(shè)計(jì)人員有多種選擇可以最大限度地減少 GaN 的死區(qū)時(shí)間損失。

• 為GaN 選擇合適的關(guān)斷柵極電壓。

• 最小化死區(qū)時(shí)間。

• 自適應(yīng)死區(qū)控制

自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制的原理如圖 6 所示，其中最佳死區(qū)時(shí)間幾乎等于開關(guān)節(jié)點(diǎn)電容器充電時(shí)間。 最佳死區(qū)時(shí)間取決于電感器電流和開關(guān)節(jié)點(diǎn)電容，并且需要在每個(gè)開關(guān)周期中進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。 通過這樣做，幾乎可以消除“二極管”工作周期，如圖 6 中的 tdiode 所示。

圖6 自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制說明

一般有兩種實(shí)現(xiàn)方式。 通過數(shù)字控制，可以根據(jù)工作條件計(jì)算下一個(gè)開關(guān)事件的死區(qū)時(shí)間。 例如，在采用 C2000TM MCU 的基于 GaN 的圖騰柱 CCM PFC中，在同步整流器 GaN FET 開啟之前，計(jì)算死區(qū)時(shí)間。 圖 7 顯示了它的實(shí)現(xiàn)圖。 在高壓線 230 Vrms 下，使用自適應(yīng)控制與固定死區(qū)時(shí)間相比節(jié)省的功率損耗如圖 8 所示。

td = CswVo / iL,AVG

• td 是下一個(gè)開關(guān)事件的最小死區(qū)時(shí)間

• Csw 是從開關(guān)節(jié)點(diǎn)到地的總寄生電容

• Vo 是輸出電壓

• iL,AVG 是當(dāng)前周期中采樣的電感電流

圖7. 自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制的實(shí)現(xiàn)

圖8具有自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間的節(jié)能

對(duì)于模擬控制，在同步整流器的一些控制器中實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制。 開關(guān)模式電壓Vsw被監(jiān)測(cè)并與預(yù)定閾值電壓進(jìn)行比較以提供檢測(cè)信號(hào)以開啟同步整流器。 檢測(cè)信號(hào)和開啟信號(hào)之間可能需要一個(gè)很短的時(shí)間，如 12 ns 到 15 ns，以留出足夠的死區(qū)時(shí)間。 

四、總結(jié)

橫向結(jié)構(gòu)中 GaN HEMT 沒有 p-n 結(jié)消除了體二極管和反向恢復(fù)損耗，從而顯著降低了硬開關(guān)拓?fù)渲械拈_關(guān)損耗，例如無橋圖騰柱 CCM PFC。 為了在相反方向傳導(dǎo)電流，GaN FET 自換向并由于橫向結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性而表現(xiàn)得像一個(gè)二極管，但往往具有較大的 Vsd。 由于死區(qū)時(shí)間較短，可以最大限度地減少死區(qū)時(shí)間損失。 自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間控制是通過根據(jù)運(yùn)行條件修正死區(qū)時(shí)間來進(jìn)一步降低損耗的有效方法。