降低柵極環(huán)路電感對(duì)于開關(guān)性能有著巨大影響，特別是在關(guān)閉期間，GaN柵極被一個(gè)電阻器下拉。這個(gè)電阻 器的電阻值需要足夠低，這樣的話，器件才不會(huì)在開關(guān)期間由于漏極被拉高而又重新接通。這個(gè)電阻器與 GaN器件的柵源電容和柵極環(huán)路電感組成了一個(gè)電感器-電阻器-電容器 （L-R-C） 槽路。方程式1中的Q品質(zhì) 因數(shù)表示為：
在柵極環(huán)路電感值更大時(shí)，Q品質(zhì)因數(shù)增加，振鈴變得更高。這個(gè)效應(yīng)用一個(gè)1？下拉電阻關(guān)閉低管GaN FET 進(jìn)行仿真，圖4中這個(gè)效應(yīng)的出現(xiàn)時(shí)間為9.97靤，其中柵極環(huán)路電感變化范圍介于2nH到10nH之間。在10nH 的情況下，低管VGS在負(fù)柵極偏置以下產(chǎn)生12V振鈴。這就極大地增加了GaN晶體管柵極的應(yīng)力。需要注意的 一點(diǎn)是，任何FET的柵極上的過應(yīng)力都會(huì)對(duì)可靠性產(chǎn)生負(fù)面影響。
柵極環(huán)路電感還會(huì)對(duì)關(guān)斷保持能力產(chǎn)生巨大影響。當(dāng)?shù)凸芷骷臇艠O保持在關(guān)閉電壓時(shí)，并且高管器件接 通，低管漏極電容將一個(gè)大電流傳送到柵極的保持環(huán)路中。這電流通過柵極環(huán)路電感將柵極推上去。圖4在 大約10.02祍時(shí)的曲線變化便是說明了這一點(diǎn)。隨著電感增加，低管VGS被推得更高，從而增加了直通電 流，這一點(diǎn)在高管漏電流曲線圖中可見 （ID_HS）。這個(gè)直通電流使得交叉?zhèn)鲗?dǎo)能量損耗 （E_HS） 從53礘增加至67礘。
圖4. 不同柵極環(huán)路電感下的低管關(guān)閉和高管接通波形：紅色 = 2nH，綠色 = 4nH，藍(lán)色 = 10nH。E_HS是 高管能耗。
根據(jù)方程式 （1），減輕柵極應(yīng)力的一個(gè)方法就是增加下拉電阻值，反過來減少L-R-C槽路的Q品質(zhì)因數(shù)。圖5 顯示的是用一個(gè)10nH柵極環(huán)路電感和在1Ω到3Ω之間變化的下拉電阻 （Rpd） 進(jìn)行的仿真結(jié)果。雖然柵極下沖被一個(gè)3Ω下拉電阻限制在負(fù)偏置電壓以下的數(shù)伏特內(nèi)，但是關(guān)斷保持能力惡化，從而導(dǎo)致更大的直通電 流。這一點(diǎn)在漏電流曲線圖中很明顯。
E_HS能量曲線圖顯示出，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有額外的13μJ損耗，與2nH的柵極環(huán)路電感和1Ω下拉電阻時(shí)53μJ相比，差不多增加了60%（圖4）。假定開關(guān)頻率為100kHz，高管器件上的功率損耗從5.3W增加至8W，其原因是由高柵極環(huán)路電感和高下拉電 阻值所導(dǎo)致的直通。這個(gè)額外的功率損耗會(huì)使得功率器件內(nèi)的散熱變得十分難以管理，并且會(huì)增加封裝和冷卻成本。
圖5. 使用10nH柵極環(huán)路電感和下拉電阻時(shí)的仿真結(jié)果：Rpd = 1Ω（紅色）、2Ω（綠色）和3Ω（藍(lán) 色）。E_HS是高管能耗。
為了減輕直通電壓，可以將柵極偏置為更大的負(fù)電壓，不過這樣做會(huì)增加?xùn)艠O上的應(yīng)力，并且會(huì)在器件處 于第三象限時(shí)增大死區(qū)時(shí)間損耗。因此，在柵極環(huán)路電感比較高時(shí)，柵極應(yīng)力與器件關(guān)斷保持能力之間的 均衡和取舍很難管理。你必須增加?xùn)艠O應(yīng)力，或者允許半橋直通，這會(huì)增加交叉?zhèn)鲗?dǎo)損耗和電流環(huán)路振鈴，并且會(huì)導(dǎo)致安全工作區(qū) （SOA） 問題。一個(gè)集成式GaN/驅(qū)動(dòng)器封裝提供低柵極環(huán)路電感，并且大限度 地降低柵極應(yīng)力和直通風(fēng)險(xiǎn)。
GaN器件保護(hù) 將驅(qū)動(dòng)器與GaN晶體管安裝在同一個(gè)引線框架內(nèi)可以確保它們的溫度比較接近，這是因?yàn)橐�框架的導(dǎo)熱性 能。熱感測(cè)和過熱保護(hù)可以置于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部，使得當(dāng)感測(cè)到的溫度超過保護(hù)限值時(shí)，GaN FET將關(guān)閉。 一個(gè)串聯(lián)MOSFET或一個(gè)并聯(lián)GaN感測(cè)FET可以被用來執(zhí)行過流保護(hù)。它們都需要GaN器件與其驅(qū)動(dòng)器之間具有 低電感連接。由于GaN通常以較大的di/dt進(jìn)行極快的開關(guān)，互聯(lián)線路中的額外電感會(huì)導(dǎo)致振鈴，并且需要 較長(zhǎng)的消隱時(shí)間來防止電流保護(hù)失效。集成驅(qū)動(dòng)器確保了感測(cè)電路與GaN FET之間盡可能少的電感連接，這 樣的話，電流保護(hù)電路可以盡可能快的做出反應(yīng)，以保護(hù)器件不受過流應(yīng)力的影響。
圖6. 一個(gè)半橋降壓轉(zhuǎn)換器（通道2）中的高管接通時(shí)的SW節(jié)點(diǎn)波形。
開關(guān)波形圖6是一個(gè)半橋的開關(guān)波形；
這個(gè)半橋包含2個(gè)集成式驅(qū)動(dòng)器的GaN器件，采用8mm x 8mm四方扁平無引線 （QFN） 封裝。通道2顯示SW節(jié) 點(diǎn)，此時(shí)高管器件在總線電壓為480V的情況下，以120V/ns的壓擺率被硬開關(guān)。這個(gè)經(jīng)優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)器集成式 封裝和PCB將過沖限制在50V以下。需要說明的一點(diǎn)是，捕捉波形時(shí)使用的是1GHz示波器和探頭。
結(jié)論 GaN晶體管與其驅(qū)動(dòng)器的封裝集成消除了共源電感，從而實(shí)現(xiàn)了高電流壓擺率。它還減少了柵極環(huán)路電感， 以盡可能地降低關(guān)閉過程中的柵極應(yīng)力，并且提升器件的關(guān)斷保持能力。集成也使得設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)镚aN FET搭建高效的過熱和電流保護(hù)電路。
