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一种动态两阶段栅极驱动器以释放GaN HEMT的快速开关潜力
A Dynamic Two-Stage Gate Driver for Unlocking the Fast-Switching Potential of GaN HEMT
| 作者 | Ji Shu · Jiahui Sun · Xinke Wu · Kevin J. Chen |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年12月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | GaN HEMT 栅极驱动电路 动态两阶段 栅极电压裕量 开关振荡 |
语言:
中文摘要
主流肖特基型 p - GaN 栅极高电子迁移率晶体管（HEMT）的栅极端子，由于其安全工作的栅极电压裕量较窄，在快速开关瞬态过程中特别容易受到栅极电压振铃的影响。在这项工作中，提出了一种具有扩展栅极电压裕量和抑制栅极回路振荡/振铃的新型栅极驱动电路。该新设计基于一种动态两阶段导通过程，由一个 GaN 横向场效应整流器（L - FER） - 电阻对实现，该对可以根据实时栅极电压自适应地调整栅极充电速度，在初始导通阶段实现快速充电，而在栅极接近完全导通时实现缓慢充电。后一阶段有效地抑制了栅极回路振荡，从而能够提高栅极导通电压，以实现更强且安全的栅极过驱动，从而抑制 GaN HEMT 中的动态导通电阻（$R_{ON}$）退化。这种动态两阶段栅极电压曲线无需额外的有源传感或控制即可实现。GaN L - FER 采用处于二极管模式的低压 GaN HEMT 实现，不存在反向恢复问题。配备这种动态两阶段栅极驱动器后，GaN HEMT 的快速开关潜力可以得到充分释放，在不产生栅极过应力的情况下降低开关损耗；同时，开关振荡也能得到显著抑制。
English Abstract
The gate terminal of mainstream Schottky-type p-GaN gate high-electron-mobility transistor (HEMT) is particularly vulnerable to the gate voltage ringing during the fast-switching transient due to its narrow gate voltage headroom for safe operation. In this work, a new gate driver circuit with expanded gate voltage headroom and suppressed gate-loop oscillation/ringing is proposed. The new design is based on a dynamic two-stage turn-on process enabled by a GaN lateral field-effect rectifier (L-FER)-resistor pair that can self-adaptively adjust the gate charging speed according to the real-time gate voltage, enabling fast charging during the initial turn-on stage and slow charging when the gate is near complete turn on. The latter stage effectively suppresses the gate-loop oscillation to enable an elevated gate turn-on voltage for a stronger yet safe gate overdrive to suppress the dynamic RON degradation in the GaN HEMT. Such a dynamic two-stage gate voltage profile can be realized without additional active sensing or control. The GaN L-FER is implemented with a low-voltage GaN HEMT in the diode mode that is free of reverse recovery issues. Equipped with this dynamic two-stage gate driver, the fast-switching potential of the GaN HEMT can be fully unlocked to reduce the switching loss without gate overstress; meanwhile, the switching oscillation can also be suppressed significantly.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项针对GaN HEMT的动态两级栅极驱动技术具有重要的战略价值。该技术通过GaN横向场效应整流器与电阻对的自适应组合，实现了栅极电压的动态调控，既保证了快速开关又避免了栅极过应力，这直接契合我司在高功率密度逆变器和储能变流器领域的核心技术需求。
在光伏逆变器应用中，GaN器件的快速开关特性可显著降低开关损耗，提升系统效率0.5-1个百分点，这对于大型地面电站和工商业分布式项目的度电成本优化意义重大。该驱动方案通过抑制栅极振荡并提升栅极过驱动电压，有效解决了GaN HEMT动态导通电阻退化问题，这对于我司1500V高压系统中的器件可靠性至关重要。储能变流器在频繁充放电工况下，该技术能够在保证器件安全的前提下充分释放GaN的开关速度潜力，减少散热需求，提升功率密度，支撑我司液冷储能系统向更紧凑化方向发展。
技术成熟度方面，该方案采用无源自适应控制，无需额外的传感和控制电路，具备较好的工程化可行性。但实际应用仍需关注几个挑战：一是L-FER器件与主功率GaN的参数匹配优化；二是在宽温度范围和长期运行中的稳定性验证；三是与我司现有驱动平台的兼容性改造成本。建议我司研发团队跟踪该技术路线，开展小批量验证测试，评估其在下一代高频化、高功率密度产品中的应用潜力，这将有助于巩固我司在新能源电力电子领域的技术领先优势。