GaN宽禁带半导体功率场效应晶体管驱动优化的研究

王宇萌+吴比

【摘要】作为新一代半导體功率器件，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Si MOSFET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

1 GaN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（body-diode）。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V-I 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。……