Ø驱动电路示意：

•如图1所示，驱动电路由栅极驱动器、电阻和磁珠组成。通过调节驱动电阻 RGon 减少 Ig；从而减小 di/dt、dv/dt，减少寄生参数对引发的振荡，改善电路的 EMI 特性；

•驱动电路中加入；磁珠 FB，减少功率回路对栅极的干扰；但增大 RGon 和 FB 也带来开关损耗的增加，RGon 和 FB的取值需要兼顾开关速度、开关损耗、开关过程中的电压电流的振荡，以及电磁兼容等多方面因素。

1 GaN HEMT的器件结构及工作原理

    GaN HEMT器件的结构目前主要有耗尽型(Depletion mode，D-mode)和增强型(Enhancement mode，E-mode)。增强型GaN HEMT又分单体GaN和Cascade GaN(共栅共源)。

2 耗尽型GaN HEMT

    耗尽型GaN HEMT的器件结构如图1所示。耗尽型GaN HEMT采用Si材料作为GaN HEMT的基片，在Si基片基础上生长出高阻性的GaN晶体层，即氮化镓通道层(GaN channel)。一般在GaN层和Si衬底层之间添加氮化铝(AIN)绝缘层作为氮化镓缓冲层(GaN buffer)，将器件和衬底隔离开来。AlGaN层存在GaN层和栅极(G)、源极(S)和漏极(D)之间；AlGaN层和GaN层之间可以产生具有高电子迁移率、低电阻特性的二维电子气(Two-Dimensional Electron Gas，2DEG)，且它的浓度随AlGaN厚度先线性增加，然后达到饱和。

    与Si传统器件不同，耗尽型GaN HEMT由于氮化物极强的极化效应，AlGaN/GaN异质结可以通过自发极化和压电极化效应在其界面形成很高浓度2DEG导电沟道，在零栅压下，器件处于导通状态。因此往往需要负压关断。耗尽型GaN HEMT不同于Si MOSHEMT的是，由于其栅极下方不存在与S极连接的P型寄生双极性区，因此没有寄生体二极管，故而器件开关损耗小、具有对称的传导特性。因此GaN HEMT可由正栅源电压VGS或正栅漏电压VGD驱动。

3 增强型GaN HEMT

    对于耗尽型GaN HEMT，要关断器件，必须加负栅压。这意味着电路中一旦有耗尽型GaN HEMT，就会增加栅极驱动设计的复杂性，而且易发生误导通，有直通的潜在威胁，使电路稳定性和安全性降低。增强型GaN HEMT则相反，只有加正偏压才会导通，减小了电路复杂性，稳定性和安全性也较好。目前，增强型GaN HEMT主要是在耗尽型高电子迁移率晶体管(Gallium Nitride High Electron Mobility Transistor，GaN HEMT)结构的基础上改进而成。目前主要的增强型GaN HEMT结构方案包括：P型栅、凹槽栅、Cascode结构等。

4  P型栅结构

    有很多学者研究P型栅结构的GaN HEMT，如图2所示[1-2]。与耗尽型不同的是，P型栅结构是在AlGaN势垒层上生长了一个带正电的P型GaN栅极，如图2中的P-GaN层。P型GaN层可以拉升AlGaN势垒层的能带，起到耗尽2DEG的作用，以实现常断特性。当施加足够的正VGS时，使栅源电压大于阈值电压，P-GaN层的内电场被削弱，2DEG浓度上升，形成导通沟道，GaN HEMT器件导通。随着VGS的降低且小于阈值电压，沟道又逐渐关闭，GaNHEMT器件关断。因此，这种结构主要是通过控制P型栅极势垒的电位，升降AlGaN势垒层的能带，使2DEG的浓度改变来实现对GaNHEMT器件的通断控制。

    文献[3]在P型栅结构的基础上，采用在P-GaN层上沉积TiN金属，形成三层掩膜的栅极结构，从而实现肖特基接触，如图3所示。这种结构存在栅极场板，可增加高压应用场板设计的灵活性。实验证明，这种结构具有低栅极电阻、降低高漏源电压VDS时的导通电阻RDS-ON等优势，且相比采用欧姆接触的P-GaN结构，此结构降低了栅极漏电流。

5 凹槽栅结构

    凹槽栅[4]结构如图4所示，此结构通过电感耦合等离子体(Inductively Couple Plasma，ICP)干法刻蚀技术刻蚀掉栅极下方区域一定厚度的AlGaN势垒层，当AlGaN势垒层厚度减薄到一定程度时，沟道内的2DEG浓度会足够低[5]。凹型栅极下方的整个AlGaN势垒层被去除，栅极下的2DEG消失，栅极金属下沉积了Al2O3膜作为栅极电介质，可防止由于器件尺寸越来越小而引发严重栅极漏电流、击穿电压过低等问题。在零栅压下，2DEG浓度小到可以忽略，器件处于关断状态。只有施加正栅压后，导电通道才会恢复，实现器件导通，即实现增强型特性。但除去栅极下方的势垒层，AlGaN势垒层其他区域的未被减薄，2DEG浓度保持原有水平。因此，凹槽栅技术制成的GaN HEMT在饱和电流和跨导方面较有优势。

6 Cascode结构

    Cascode结构是由高压耗尽型GaN HEMT和低压增强型Si MOSHEMT(金属氧化物半导体场效应晶体管)级联构成的，如图5所示。

    从结构可知，当器件不加栅压且漏源电压大于零时，工作在正向阻断模态；当栅压大于Si MOSHEMT的阈值电压时，器件正向导通；一旦Si MOSHEMT反向导通，器件将工作在反向导通模态。又因为Si MOSHEMT的漏源电压Vds_Si给GaN HEMT的栅源电压Vgs_GaN提供负偏置电压，因此控制Si MOSHEMT的通断即可控制GaN HEMT的通断。当然，这种结构由于引入了硅基器件，因此对封装的要求较高，体积也较大。

与其他结构GaNHEMT相比，Cascode GaNHEMT的结构，电压等级较高、驱动电压范围较宽，但对dv/dt和di/dt敏感，特别是在高频时，共源电感过大[6]可能会使器件损坏。Andrew等人通过将智能栅极驱动与Si MOSHEMT集成，驱动耗尽型GaN HEMT，形成智能Cascade GaNHEMT，如图6所示。该智能Cascade GaNHEMT内置电流检测、可调输出电阻、可调电流检测率和智能数字控制[7]。实验表明，此改进的Cascode结构通过利用动态开关技术，可以减少栅极振荡、降低高电压和电流转换速率、解决dv/dt和di/dt问题，优化EMI。

7  直驱结构1

外围配置滤波、系统电源电压检测等功能，最低配置电容*2+电阻*6+Zener+diode共10颗元件，6种功能引脚，除G、D、S外,还有使能、电源、启动、开尔文S等引脚，可以兼容常规的MOS驱动器，外部需要增加低压检测电路。相对于cascode,这种直驱方式损耗小适用的频率更高。

8  直驱结构2

TI为代表的内部使用芯片集成buck-boost及保护功能需要输出特定信号，共计需要13阻容、二极管等元件，外围器件较多，需要匹配TI专用的隔离驱动器，ISO77X1F系列，可以处理芯片的特殊信号。这种方式的直驱同样是适用于高频应用，有IC的加持芯片的稳定性更高，但是设计复杂。

一、绝对最大额定参数

1、VDS 表示漏极与源极之间所能施加的最大电压值。

2、VGS 表示栅极与源极之间所能施加的最大电压值。

3、ID 表示漏极可承受的持续电流值，如果流过的电流超过该值，会引起击穿的风险。

4、IDM 表示的是漏源之间可承受的单次脉冲电流强度，如果超过该值，会引起击穿的风险。

5、EAS 表示单脉冲雪崩击穿能量，如果电压过冲值(通常由于漏电流和杂散电感造成)未超过击穿电压，则器件不会发生雪崩 击穿，因此也就不需要消散雪崩击穿的能力。EAS标定了器件可以安全吸收反向雪崩击穿能量的高低。

6、PD 表示最大耗散功率，是指器件性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率，使用时要注意器件的实际功耗应小于此参数并留有一定余量，此参数一般会随结温的上升而有所减额。（此参数靠不住）

7、TJ, Tstg ，这两个参数标定了器件工作和存储环境所允许的结温区间，应避免超过这个温度，并留有一定余量，如果确保器件工作在这个温度区间内，将极大地延长其工作寿命。

二、额定电流

ID(DC) : 漏极允许通过的最大直流电流值，此值受到导通阻抗、封装和内部连线等的制约TC=25℃ (假定封装紧贴无限大散热板)

ID(Pulse) : 漏极允许通过的最大脉冲电流值，此值还受到脉冲宽度和占空比等的制约。

三、热阻

热阻表示热传导的难易程度，热阻分为沟道-环境之间的热阻、沟道-封装之间的热阻，热阻越小，表示散热性能越好。

热阻是材料抵抗热能流动的能力，由半导体晶片消耗的功率被转换成热量，其被传送到封装，并且最终通道散热片或其他导热材料释放到环境空气中，而消耗功率PD产生热能导致元件温度(ΔT)的增加导致元件温度，(ΔT)可以计算为ΔT= Rth×PD。

Rth是定义ΔT和PD之间关系的常数，该常数称为热阻。

四、静态参数

1、 V(BR)DSS

这个参数是有条件的，这个最小值60V是在Tj=25℃的值，也就是只有在Tj=25℃时，器件FET上电压不超过60V才算是工作在安全状态。

V(BR)DSS是正温度系数，如果电源用在寒冷的地方，环境温度低到-40℃甚至更低的话，V(BR)DSS值<56V，这时候60V就已经超过器件FET耐压了。

所以在器件FET使用中，我们都会保留一定的VDS的电压裕量，其中一点就是为了考虑到低温时器件FET V(BR)DSS值变小了，另外一点是为了应对各种恶例条件下开关机的VDS电压尖峰。

2、VGS(th) 表示的是器件的开启电压(阈值电压)，对于N器件，当外加栅极控制电压 VGS超过 VGS(th) 时，N器件就会导通。

3、IGSS 表示栅极驱动漏电流，越小越好，对系统效率有较小程度的影响。

4、IDSS 表示漏源漏电流，栅极电压VGS=0、VDS 为一定值时的漏源漏流，一般在微安级。

5、RDS(ON) 表示器件的导通电阻，一般来说导通电阻越小越好，其决定器件的导通损耗，导通电阻越大损耗越大，器件温升也越高，在大功率电源中，导通损耗会占器件整个损耗中较大的比例。

6、gfs 表示正向跨导，反映的是栅极电压对漏源电流控制的能力，gfs过小会导致器件FET关断速度降低，关断能力减弱，过大会导致关断过快，EMI特性差，同时伴随关断时漏源会产生更大的关断电压尖峰。

1. 动态参数

1、Ciss 表示输入电容，Ciss=Cgs+Cgd，该参数会影响器件的开关时间，该值越大，同样驱动能力下，开通及关断时间就越慢，开关损耗也就越大。

1. Coss 表示输出电容，Coss=Cds+Cgd；Crss表示反向传输电容，Crss=Cgd(米勒电容)。这两项参数对器件FET关断时间略有影响，其中Cgd会影响到漏极有异常高电压时，传输到器件FET栅极电压能量的大小，会对雷击测试项目有一定影响。

Qg、Qgs、Qgd、td(on)、tr、td(off）、tf 这些参数都是与时间相互关联的参数。开关速度越快对应的优点是开关损耗越小，效率高，温升低，对应的缺点是EMI特性差，器件FET关断尖峰过高。

3、电容特性说明：

• 输入电容(Ciss)=Cgd+Cgs,为在OFF状态下栅极输入电容量。
• 输出电容(Coss)=Cds+Cgd,为漏极D-源极S间电容量，即內部二极管在逆偏压时电容量
• 反馈电容(Crss)=Cgd此为漏极D-栅极G间的电容量,又称米勒电容，在高频率开关动作时之不良影响大于Ciss及Coss。
• 影响开关速度的是Coss(=Cgs+Cgd),Cg越大速度越慢,Cds与正常切换电路的开关速度无关。另外，此参数与测试频率与偏压有关，如果在不同频率或偏路的开关速度无关，如果在不同頻率或偏压操作必须作适当修正。
• nCgs大小与Gate charge有直接的关系。应该要越小越好，对电路整体的谐振考量与充放电切换时间越佳。
• 在 LLC拓扑中，减小死区时间可以提高效率，但过小的死区时间会导致无法实现ZVS(零电压开关)。因此选择在VDS在低压时Coss较小的器件FET可以让LLC更加容易实现ZVS,死区时间也可以适当减小,从而提升效率。

Ciss=Cgd+Cgs, Coss=Cgd+Cds, Crss=Cgd。

Ciss, Coss, Crss的容值都是随着VDS电压改变而改变的。

4、Qg , Qgs , Qgd特性

栅极电荷可分为三种：

• Qg(栅极电荷):使栅极电压从0升到10V所需的栅极电荷，是指器件FET开关完全打开，Gate极所需要的电荷量。
• Qgs 栅极-源极电荷
• Qgd 栅极-漏极电荷

器件FET的Qg可以理解为：当G级电容充至多少电荷时,器件FET才能有效打开；放电至多少电荷时， 器件FET才会有效关断，所以Qg就存在一个充放电的时间，这个时间会影响到器件的开关速度。

开关频率大的话,Qg还是小一些好，影响开关的速度。空载时结电容大，开关过程的损耗多。

器件FET切换动作过程可以说是一种电荷移动现象。由于栅极完全是由绝缘膜覆盖，其输入阻抗几乎是无限大，完全看输入电容量的充放电动作来决定切换动作的状态。

1. 在t0-t1时刻,Vgs开始慢慢的上升直到Vgs(th),DS之间电流才开始慢慢上升,同时Cgs开始充电，在此期间Cgd和Cgs相比可以忽略;

b. t1-t2时刻,Cgs一直在充电,在t2时刻，Cgs充电完成,同时Id达到所需要的数值,但是Vds并没有降低;

c. t2-t3时刻，VDS开始下降,Cgs充电完成,而且Vgs始终保持恒定,此时主要对Cgd充电,此段时间内，Cgd的电容值变大，在t3时刻Cgd充电完成,通常这个时间要比t1-t2长很多;

d. 在t3-t4时刻,t3时刻Cgd和ICgsE已经充电完成，VGS电压开始上.升直到驱动IC的最高直流电压。所以图中(Qgd+Qgs)是器件开关完全打开所需要的最小电荷量。

1. 体二极管特性

IS、ISM这些参数如果过小，会有电流击穿风险。

VSD、trr如果过大，在桥式或LCC系统中会导致系统损耗过大，温升过高。

Qrr该参数与充电时间成正比，一般越小越好。

反向恢复时间trr & 反向恢复电荷Qrr：由于内部寄生二极管可视为一种电容器，所以寄生二极管从导通切换到关断状态会储存少量电荷(下图红色区域即为Qrr)，而电荷量完全释放出需耗费一段时间，此时间就是trr。

1. SOA安全工作区

SOA意为“安全工作区”指电源在运行时异常的大电流和电压同时叠加在器件FET上面，造成瞬时局部发热而导致的破坏模式。或者是芯片与散热器及封装不能及时达到热平衡导致热积累，持续的发热使温度超过氧化层限制而导致的热击穿模式。

SOA各个线的参数限定值可以参考KST3415。

受限于最大额定电流及脉冲电流。

受限于最大节温下的RDSON。

受限于器件最大的耗散功率。

受限于最大单个脉冲电流。

击穿电压BVDSS限制区。