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陈杰
撸起袖子加油“GaN”
上篇文章（参考阅读：）已经就GIT电流型和SG电压型氮化镓晶体管的内部构造和工作原理进行了介绍，在此基础上，本篇将继续介绍其对应驱动电路的设计。
GIT型和SG型两种增强型的GaN器件的栅极电荷都远低于Si基的器件，一般用来驱动标准MOS管的门极驱动芯片都足够用来驱动GaN晶体管。但值得注意的是，增强型氮化镓的VGS(TH)阈值电压较低，一般仅略高于1V，为避免误导通的发生，负压的使用就显得尤为重要。
可以通过在驱动电路中增加RC接口电路来实现，如下图1所示：
图1. 带RC网络的GIT型GaN驱动电路
从左至右，VDD代表驱动电路的供电（常见的VDD电压为9V或者12V）。理想驱动器代表门极驱动器，给驱动输入开通信号时，S1闭合，S2关断，而给驱动器输入关断信号时，S1关断，S2闭合。RSS和Cc是一组RC网络，用于生成负压和提供驱动电流。Ron和Roff是用来调节开通与关断速度的驱动电阻。最右侧虚线框内的为GIT氮化镓晶体管，二极管VF为其门极寄生的二极管。细心的你在接下来的阅读中会发现，在开通时，GIT氮化镓晶体管的VGS会被钳位至3.5V左右（VF的典型值），其具体的开关过程如下：
当晶体管被开通时，Cc电容被充电，所产生的脉冲电流Ion用于开通瞬间注入GIT氮化镓晶体管的门级，经电阻RSS的电流可以提供稳定的ISS以维持2EDG的电子浓度，同时电容Cc上产生左正右负的电压，在晶体管被关断时，Cc便能作为电荷泵为栅极提供所需要的负压VN。在英飞凌官网的应用手册中，有Cc取值的详细计算方法[1]。
对于软开关系统，通常 –VN 取值在 –2 V 至 –3 V 即可满足要求；而在大多数硬开关应用中，–3 V 至 –5 V 是较优的选择。在“关断”转换之后，–VN 按由 Cc 与 RSS 决定的时间常数衰减（见图2b）。该时间常数通常为数微秒；其本质上由器件参数（栅极电荷与稳态栅极电流）确定。VN计算公式如下(1)：
在稳定的“导通”状态下，驱动 GIT 栅极的需要施加一个mA级且恒定的栅极电流 ISS。ISS由驱动电源 VDD 和 RSS 的阻值决定，如下公式（2）：
RSS通常在千欧级别。Ion和ISS的具体波形见下图2a）所示，下图中展示了由此产生的相关电流ISS 波形，一般而言ISS在10mA以内。ISS的数值大小也将直接影响氮化镓晶体管RDSON的大小，类比于VGS驱动电压对于MOS管的RDSON的影响，在设计时，请参考对应型号的datasheet中ISS和VDS曲线设计合理的RSS取值，详细设计过程见英飞凌官网的应用手册[1]。
图2. GIT型氮化镓晶体管驱动波形图 a) 门极驱动电流 b) 门极驱动电压
由于GIT氮化镓晶体管的GS之间寄生二极管的存在，在导通时，GS两端电压会被钳位在3.5V左右，如图2b)中的VF，这也正是GIT型氮化镓晶体管显著的优点之一，门极寄生二极管可以提高其防浪涌能力，提高其VGS的电压范围。
SG型氮化镓晶体管的典型驱动电路如下图3所示，从左至右依次为驱动电源VDD，理想驱动器（开通时，S1闭合，S2关断；关断时S1关断，S2闭合），开通电阻Ron与关断电阻Roff，RC接口电路包含了Rss和Cc，最右方为氮化镓晶体管，在其G，S极两端有一组背靠背的齐纳二极管ZD1和ZD2，和驱动MOS管类似，SG型氮化镓晶体管需要给GS极之间提供满足条件的正压，一般而言，其中ZD1可以选用5.3V的齐纳二极管，ZD2可以根据门级负压Vgs的范围选用对应电压的齐纳二极管。
ZD1主要用来保证6V左右的驱动正压。ZD2用来防止负压过深而超过门级电压允许的范围，其选型应该根据具体型号的数据手册并留有一定余量。
图3. SG型氮化镓晶体管驱动电路等效示意图
其驱动波形如下图4所示，下图中a和b分别对应门级的电流和电压波形。
图4. SG型氮化镓晶体管驱动波形
除了以上使用RC驱动电路来设计负压以外，也可以按照如下图5中的方法使用正负压驱动的电路。与上述RC驱动电路相比，其需要为驱动电路提供一组正负压，其优点是负压在启动时已经建立，无需通过先给CC充电，更加稳定，可以根据应用的具体要求确认最终的设计。氮化镓晶体管的更多产品信息，欢迎登陆英飞凌官网，我们已经发布了一系列满足不同应用要求的封装和RDS(on)的产品。
图5. 双极性（带正负压）驱动电路设计
最后，英飞凌也提匹配GaN HEMT的驱动器，包括双通道隔离型 EiceDRIVER™ 2EDB7259系列和单通道的1EDB7275系列，2EDB7259Y采用 DSO-14 封装，并依据 UL 1577 标准具备 3 kVrms 的单重保护绝缘等级。此外，它保证至少 150 V/ns 的共模瞬态抗扰度（CMTI），其传播延迟保持稳定（–5/+9 ns），从而在全温度范围内确保精确的时序和可靠运行。1EDB7275则组主要满足客户自主灵活性的要求，其IN+ 和 IN-按照下图7中的互锁接法可以有效帮助避免桥臂直通。更多详细信息欢迎移步英飞凌官网。
图6. 驱动器 2EDB7259带RC电路的驱动电路设计（GIT和SG ）
图7. 驱动器 1EDB7275带正负压驱动电路设计（GIT和SG ）
总结
本文介绍了GIT电流型氮化镓晶体管和SG电压型氮化镓晶体管的驱动电路设计，两者虽然对驱动电路有不一样的要求，但可以在原理图设计阶段就对驱动电路进行兼容性设计，GIT型氮化镓晶体管以其独到的门极与漏极结构，在动态RDS(on)上有更佳的表现。如果驱动中需要引入负压，既可以使用外接一组正负压来实现也可以通过RC接口电路来生成。英飞凌为大家准备了多种规格和封装的对应氮化镓及驱动产品。
参考文献
[1] Gate drive configurations for GaN power transistors. Bernhard Zojer, Infineon Technologies Austria AG
