1 引言

業(yè)內(nèi)越來(lái)越多地采用 GaN FET，以便在電動(dòng)汽車(chē)、服務(wù)器電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)比硅 MOSFET 更好的開(kāi)關(guān)特性。GaN FET 支持在更高的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行，這有助于減小系統(tǒng)尺寸、降低成本和重量。

48V 至 12V 直流/直流轉(zhuǎn)換器在許多電源應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，通常使用 LLC、同步降壓或降壓/升壓拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)。這些半橋拓?fù)渲g的一個(gè)常見(jiàn)因素是，拓?fù)湫枰绤^(qū)時(shí)間或非導(dǎo)通時(shí)間，期間高側(cè)和低側(cè) FET 均處于關(guān)閉狀態(tài)。

負(fù)載電流 (IL) 必須在死區(qū)時(shí)間內(nèi)繼續(xù)循環(huán)。這種工作模式稱(chēng)為第三象限 運(yùn)行，其中 FET Vgs 為 0V 且有負(fù)電流流動(dòng)。有關(guān)第三象限運(yùn)行的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱 GaN 是否具有體二極管？– 了解 GaN 的第三象限運(yùn)行。圖 1-1 展示了一個(gè)半橋降壓轉(zhuǎn)換器示例以及相關(guān)參數(shù)。圖 1-2 顯示了主要問(wèn)題：在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，HS 上會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)電壓。

這種負(fù)電壓與 GaN FET 的特性有關(guān)。與硅功率 FET 不同的是，GaN FET 沒(méi)有會(huì)形成體二極管 的寄生 P-N 結(jié)。在 MOSFET 中，體二極管在第三象限運(yùn)行時(shí)，其作用類(lèi)似于正向電壓 (VF) 約為 0.7V 的二極管。當(dāng) MOSFET 在第三象限導(dǎo)通時(shí)，HS 上產(chǎn)生的負(fù)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(dāng) Vgs 較低（通常為 0V）并且強(qiáng)制電流通過(guò) GaN FET 時(shí)，會(huì)發(fā)生第三象限運(yùn)行。FET 在此狀態(tài)下處于關(guān)閉狀態(tài)，被視為一個(gè)大電阻器。當(dāng)電流被強(qiáng)制流過(guò)這個(gè)大電阻器時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓。FET 器件的源極到漏極產(chǎn)生電壓 (VSD)。漏極必須對(duì)地為負(fù)，因?yàn)樵礃O連接到接地端。由于 GaN FET 的雙向特性，最低電壓節(jié)點(diǎn)充當(dāng)器件的源極。柵極電壓為 0V，漏極（現(xiàn)在為源極）為負(fù)，因此器件上會(huì)產(chǎn)生 Vgs。一旦該 Vgs 超過(guò) GaN FET 的閾值電壓 (Vth)，F(xiàn)ET 就會(huì)導(dǎo)通并再次變?yōu)樾‰娮琛＿@可以阻止電壓增加，最終導(dǎo)致出現(xiàn)在 HS 節(jié)點(diǎn)上的負(fù)電壓大致等于 GaN FET 的 Vth。此過(guò)程稱(chēng)為自換向，因?yàn)槠骷?huì)自行開(kāi)啟。

自換向與 MOSFET 的體二極管導(dǎo)通有兩個(gè)主要區(qū)別。第一個(gè)區(qū)別是自換向電流在器件的通道中傳導(dǎo)，而不是在寄生體二極管中傳導(dǎo)。在 P-N 體二極管中傳導(dǎo)電流時(shí)，體二極管中將內(nèi)置反向恢復(fù)電荷 (Qrr)。但是，當(dāng)電流在通道中傳導(dǎo)時(shí)，不存在 Qrr。第二個(gè)區(qū)別是自換向會(huì)產(chǎn)生比體二極管導(dǎo)通高很多的負(fù)電壓，這是因?yàn)?GaN FET Vth 遠(yuǎn)高于體二極管 VF。

由于這些差異，許多設(shè)計(jì)人員喜歡將 GaN FET 視為具有高正向電壓且沒(méi)有反向恢復(fù)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(fù)電壓方面的作用。如果設(shè)計(jì)人員使用負(fù) Vgs 來(lái)防止誤導(dǎo)通（許多設(shè)計(jì)人員都會(huì)這樣做），則負(fù) HS 電壓會(huì)增加。

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