對于碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)等寬禁帶(WBG)功率器件而言，優化的柵極驅動尤為重要。此類轉換器的快速開關需仔細考量寄生參數、過沖/欠沖現象以及功率損耗最小化問題，而驅動電路在這些方面都起著關鍵作用。

本文介紹了一種用于碳化硅升壓轉換器的氮化鎵諧振柵極驅動器。該方案不僅能實現高效率，還能在高開關頻率下保持良好控制的開關轉換特性。

諧振柵極驅動器原理

轉換器中的主要功率損耗可分為三大類：

導通損耗(PCON)：取決于導通電流(Ion)和導通電阻(RDSON)

開關損耗(PSW)和直通損耗(PSHOOT)：與轉換器拓撲結構(軟/硬開關)、器件及電路寄生參數、開關轉換速率、頻率、死區時間控制等因素相關

柵極驅動損耗(PGATE)：在傳統電壓源柵極驅動中，此項損耗又稱CV2損耗，表現為開關轉換過程中柵極電阻(RG)和柵極驅動晶體管導通電阻上的功率損耗

計算公式為：PGATE = CISS × VDRIVE × fsw

其中CISS是功率器件的輸入電容(CGS柵源電容與CGD米勒電容之和)，VDRIVE為柵極驅動凈電壓(VGS(ON)-VGS(OFF))，fsw為開關頻率。

柵極驅動損耗在低功率條件(此時導通損耗占比較小)和軟開關工況(相比硬開關可降低開關損耗)下可能占據總損耗的很大比重。例如在10W硅MOSFET同步降壓轉換器中，1MHz工作時柵極驅動損耗可使總效率降低15%以上。

諧振柵極驅動器通過構建電流源來驅動功率器件，利用功率FET的輸入電容CISS與外接電感形成諧振回路。電感電流對功率FET的CISS電容進行充放電。理想情況下諧振驅動可實現零損耗，實際應用中雖然消除了外部CV2損耗，但諧振電流路徑中的導通和寄生電阻仍會產生損耗。功率器件內部柵極電阻限制了諧振驅動相比電壓源驅動可實現損耗降低的最高實用開關頻率。

現有多種諧振驅動器方案各具優劣，其中圖騰柱橋式結構(諧振電感與功率器件柵極連接至開關節點)是基礎拓撲。研究表明，在400V/60A工況下，諧振驅動可使1MHz工作的硅功率器件柵極驅動損耗降低50%以上。此外，諧振驅動實現的更快開關轉換還能降低功率器件的開關損耗。

氮化鎵諧振柵極驅動器實現

以色列阿里爾大學的L. Cohen團隊創新性地研究了基于氮化鎵的諧振柵極驅動方案。橫向高電子遷移率晶體管(HEMT)特性使其適合高頻開關與控制應用的單片集成。研究者為碳化硅MOSFET功率器件開發了雙極性高頻GaN HEMT諧振驅動，采用負壓關斷設計(部分SiC廠商推薦)，既可降低漏極電壓上升通過米勒電容引發的寄生導通風險，又能實現更快開關轉換速率和更低反向恢復損耗。

圖1所示的電路框圖雖可采用單片集成方案，但實驗驗證采用分立芯片構建驅動器的各子電路：

雙極性電源(高邊GaN HEMT導通用的+VCC和低邊GaN HEMT關斷用的-VEE)由環形振蕩器(RO)DC-DC轉換器生成。RO電路由奇數級反相器鏈構成，采用增強型GaN HEMT級聯，其中低邊(LS)器件由前級驅動，高邊(HS)器件由柵壓控制。該電路可視為一階RC電路，通過控制各級充放電實現所需轉換。GaN器件允許更高開關速度，+VCC由RO升壓轉換器產生，-VEE由RO升降壓轉換器生成，本電路采用EPC2038(100V/3300mΩ)器件實現+20V VCC和-10V VEE輸出。

RO PWM級控制諧振驅動GaN HEMT的柵極，包含PWM信號發生器和基于或非鎖存器的死區電路，驅動RO和鎖存器同樣采用EPC2038 HEMT，可實現超2MHz的開關頻率。

諧振驅動器由增強型GaN HEMT半橋構成，本方案采用EPC2152集成半橋(80V/15A規格)，通過EPC9097評估板實現。圖1中Lr電感與Cr電容與被驅動SiC MOSFET的CISS構成諧振回路。當HS GaN HEMT導通、LS GaN HEMT關斷時，+VCC電壓施加于SiC MOSFET柵源極之間，Lr電流對柵極充電;反之則施加-VEE電壓，SiC MOSFET柵電容通過Lr放電。Lr作為功率柵極的電流源，既消除了米勒效應，又能在MHz頻率下實現高效功率轉換。該諧振驅動器本質上是工作在斷續導通模式(DCM)的同步降壓轉換器，通過開關轉換期間的諧振實現被驅動功率器件的柵電荷回收，本方案采用150nH的Lr值。

被驅動功率器件采用安森美NTH4L160N120SC1 SiC MOSFET(1200V/160mΩ)，配合SiC肖特基二極管和4.6nH升壓電感(圖1未顯示)構成升壓功率級。

實驗結果

在2MHz開關頻率下獲得了清晰的開關波形，測得SiC柵極上升/下降時間分別為10.2ns和11.7ns。相比標準電壓源柵極驅動，諧振驅動方案實現26.8%的柵極功率損耗優勢。當升壓功率級在354.4V輸入電壓(VIN指升壓級輸入，即連接SiC MOSFET漏極的升壓電感端)驅動1350Ω負載時，輸出980V電壓，峰值電感電流達8.6A。

在2.54MHz開關頻率下測得轉換效率為99.02%(輸入功率718.432W，輸出功率711.407W)。當VIN=200.2V時，相同負載下輸出522V，峰值電流4.44A，測得效率為97.8%。