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陳杰
擼起袖子加油“GaN”
上篇文章（參考閱讀：氮化鎵增強型GaN晶體管結構簡介）已經就GIT電流型和SG電壓型氮化鎵晶體管的內部構造和工作原理進行了介紹，在此基礎上，本篇將繼續介紹其對應驅動電路的設計。
GIT型和SG型兩種增強型的GaN器件的柵極電荷都遠低于Si基的器件，一般用來驅動標準MOS管的門極驅動芯片都足夠用來驅動GaN晶體管。但值得注意的是，增強型氮化鎵的VGS(TH)閾值電壓較低，一般僅略高于1V，為避免誤導通的發生，負壓的使用就顯得尤為重要。
可以通過在驅動電路中增加RC接口電路來實現，如下圖1所示：
圖1. 帶RC網絡的GIT型GaN驅動電路
從左至右，VDD代表驅動電路的供電（常見的VDD電壓為9V或者12V）。理想驅動器代表門極驅動器，給驅動輸入開通信號時，S1閉合，S2關斷，而給驅動器輸入關斷信號時，S1關斷，S2閉合。RSS和Cc是一組RC網絡，用于生成負壓和提供驅動電流。Ron和Roff是用來調節開通與關斷速度的驅動電阻。最右側虛線框內的為GIT氮化鎵晶體管，二極管VF為其門極寄生的二極管。細心的你在接下來的閱讀中會發現，在開通時，GIT氮化鎵晶體管的VGS會被鉗位至3.5V左右（VF的典型值），其具體的開關過程如下：
當晶體管被開通時，Cc電容被充電，所產生的脈沖電流Ion用于開通瞬間注入GIT氮化鎵晶體管的門級，經電阻RSS的電流可以提供穩定的ISS以維持2EDG的電子濃度，同時電容Cc上產生左正右負的電壓，在晶體管被關斷時，Cc便能作為電荷泵為柵極提供所需要的負壓VN。在英飛凌官網的應用手冊中，有Cc取值的詳細計算方法[1]。
對于軟開關系統，通常 –VN 取值在 –2 V 至 –3 V 即可滿足要求；而在大多數硬開關應用中，–3 V 至 –5 V 是較優的選擇。在“關斷”轉換之后，–VN 按由 Cc 與 RSS 決定的時間常數衰減（見圖2b）。該時間常數通常為數微秒；其本質上由器件參數（柵極電荷與穩態柵極電流）確定。VN計算公式如下(1)：
在穩定的“導通”狀態下，驅動 GIT 柵極的需要施加一個mA級且恒定的柵極電流 ISS。ISS由驅動電源 VDD 和 RSS 的阻值決定，如下公式（2）：
RSS通常在千歐級別。Ion和ISS的具體波形見下圖2a）所示，下圖中展示了由此產生的相關電流ISS 波形，一般而言ISS在10mA以內。ISS的數值大小也將直接影響氮化鎵晶體管RDSON的大小，類比于VGS驅動電壓對于MOS管的RDSON的影響，在設計時，請參考對應型號的datasheet中ISS和VDS曲線設計合理的RSS取值，詳細設計過程見英飛凌官網的應用手冊[1]。
圖2. GIT型氮化鎵晶體管驅動波形圖 a) 門極驅動電流 b) 門極驅動電壓
由于GIT氮化鎵晶體管的GS之間寄生二極管的存在，在導通時，GS兩端電壓會被鉗位在3.5V左右，如圖2b)中的VF，這也正是GIT型氮化鎵晶體管顯著的優點之一，門極寄生二極管可以提高其防浪涌能力，提高其VGS的電壓范圍。
SG型氮化鎵晶體管的典型驅動電路如下圖3所示，從左至右依次為驅動電源VDD，理想驅動器（開通時，S1閉合，S2關斷；關斷時S1關斷，S2閉合），開通電阻Ron與關斷電阻Roff，RC接口電路包含了Rss和Cc，最右方為氮化鎵晶體管，在其G，S極兩端有一組背靠背的齊納二極管ZD1和ZD2，和驅動MOS管類似，SG型氮化鎵晶體管需要給GS極之間提供滿足條件的正壓，一般而言，其中ZD1可以選用5.3V的齊納二極管，ZD2可以根據門級負壓Vgs的范圍選用對應電壓的齊納二極管。
ZD1主要用來保證6V左右的驅動正壓。ZD2用來防止負壓過深而超過門級電壓允許的范圍，其選型應該根據具體型號的數據手冊并留有一定余量。
圖3. SG型氮化鎵晶體管驅動電路等效示意圖
其驅動波形如下圖4所示，下圖中a和b分別對應門級的電流和電壓波形。
圖4. SG型氮化鎵晶體管驅動波形
除了以上使用RC驅動電路來設計負壓以外，也可以按照如下圖5中的方法使用正負壓驅動的電路。與上述RC驅動電路相比，其需要為驅動電路提供一組正負壓，其優點是負壓在啟動時已經建立，無需通過先給CC充電，更加穩定，可以根據應用的具體要求確認最終的設計。氮化鎵晶體管的更多產品信息，歡迎登陸英飛凌官網，我們已經發布了一系列滿足不同應用要求的封裝和RDS(on)的產品。
圖5. 雙極性（帶正負壓）驅動電路設計
最后，英飛凌也提匹配GaN HEMT的驅動器，包括雙通道隔離型 EiceDRIVER? 2EDB7259系列和單通道的1EDB7275系列，2EDB7259Y采用 DSO-14 封裝，并依據 UL 1577 標準具備 3 kVrms 的單重保護絕緣等級。此外，它保證至少 150 V/ns 的共模瞬態抗擾度（CMTI），其傳播延遲保持穩定（–5/+9 ns），從而在全溫度范圍內確保精確的時序和可靠運行。1EDB7275則組主要滿足客戶自主靈活性的要求，其IN+ 和 IN-按照下圖7中的互鎖接法可以有效幫助避免橋臂直通。更多詳細信息歡迎移步英飛凌官網。
圖6. 驅動器 2EDB7259帶RC電路的驅動電路設計（GIT和SG ）
圖7. 驅動器 1EDB7275帶正負壓驅動電路設計（GIT和SG ）
總結
本文介紹了GIT電流型氮化鎵晶體管和SG電壓型氮化鎵晶體管的驅動電路設計，兩者雖然對驅動電路有不一樣的要求，但可以在原理圖設計階段就對驅動電路進行兼容性設計，GIT型氮化鎵晶體管以其獨到的門極與漏極結構，在動態RDS(on)上有更佳的表現。如果驅動中需要引入負壓，既可以使用外接一組正負壓來實現也可以通過RC接口電路來生成。英飛凌為大家準備了多種規格和封裝的對應氮化鎵及驅動產品。
參考文獻
[1] Gate drive configurations for GaN power transistors. Bernhard Zojer, Infineon Technologies Austria AG
