1 引言

業內越來越多地采用 GaN FET，以便在電動汽車、服務器電源和電機驅動器中實現比硅 MOSFET 更好的開關特性。GaN FET 支持在更高的開關頻率下運行，這有助于減小系統尺寸、降低成本和重量。

48V 至 12V 直流/直流轉換器在許多電源應用中發揮著至關重要的作用，通常使用 LLC、同步降壓或降壓/升壓拓撲來實現。這些半橋拓撲之間的一個常見因素是，拓撲需要死區時間或非導通時間，期間高側和低側 FET 均處于關閉狀態。

負載電流 (IL) 必須在死區時間內繼續循環。這種工作模式稱為第三象限 運行，其中 FET Vgs 為 0V 且有負電流流動。有關第三象限運行的更多詳細信息，請參閱 GaN 是否具有體二極管？– 了解 GaN 的第三象限運行。圖 1-1 展示了一個半橋降壓轉換器示例以及相關參數。圖 1-2 顯示了主要問題：在死區時間內，HS 上會產生較大的負電壓。

這種負電壓與 GaN FET 的特性有關。與硅功率 FET 不同的是，GaN FET 沒有會形成體二極管 的寄生 P-N 結。在 MOSFET 中，體二極管在第三象限運行時，其作用類似于正向電壓 (VF) 約為 0.7V 的二極管。當 MOSFET 在第三象限導通時，HS 上產生的負電壓約為體二極管的 VF。在 GaN FET 中，缺少體二極管意味著行為有所不同。

當 Vgs 較低（通常為 0V）并且強制電流通過 GaN FET 時，會發生第三象限運行。FET 在此狀態下處于關閉狀態，被視為一個大電阻器。當電流被強制流過這個大電阻器時，就會產生電壓。FET 器件的源極到漏極產生電壓 (VSD)。漏極必須對地為負，因為源極連接到接地端。由于 GaN FET 的雙向特性，最低電壓節點充當器件的源極。柵極電壓為 0V，漏極（現在為源極）為負，因此器件上會產生 Vgs。一旦該 Vgs 超過 GaN FET 的閾值電壓 (Vth)，FET 就會導通并再次變為小電阻。這可以阻止電壓增加，最終導致出現在 HS 節點上的負電壓大致等于 GaN FET 的 Vth。此過程稱為自換向，因為器件會自行開啟。

自換向與 MOSFET 的體二極管導通有兩個主要區別。第一個區別是自換向電流在器件的通道中傳導，而不是在寄生體二極管中傳導。在 P-N 體二極管中傳導電流時，體二極管中將內置反向恢復電荷 (Qrr)。但是，當電流在通道中傳導時，不存在 Qrr。第二個區別是自換向會產生比體二極管導通高很多的負電壓，這是因為 GaN FET Vth 遠高于體二極管 VF。

由于這些差異，許多設計人員喜歡將 GaN FET 視為具有高正向電壓且沒有反向恢復電荷的體二極管。該二極管模型的主要缺陷是模型忽略了 Vg 在確定負電壓方面的作用。如果設計人員使用負 Vgs 來防止誤導通（許多設計人員都會這樣做），則負 HS 電壓會增加。

方程式 1 估算了任何 GaN FET 的負 HS 電壓。大多數制造商都提供了圖供參考，如圖 1-3 所示。