每個(gè)功率晶體管與柵極驅(qū)動(dòng)器緊密配合，作為電力電子開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的基本構(gòu)建塊。在導(dǎo)通時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)器從去耦電容器獲取電荷并將其傳送到功率晶體管的柵極電容，同時(shí)電流從功率晶體管的源極返回到去耦電容器。為了關(guān)斷，柵極驅(qū)動(dòng)器將柵極連接到源極以消除柵極上的電荷。高轉(zhuǎn)換速度是高頻操作的關(guān)鍵，柵極驅(qū)動(dòng)器必須克服導(dǎo)通和關(guān)斷環(huán)路的電阻和電感，以獲得在高頻下工作的高效解決方案。這意味著強(qiáng)大的（低電阻）驅(qū)動(dòng)器和低環(huán)路電感。
　　圖 2 顯示了電源模塊分立解決方案的開(kāi)啟 (a) 和關(guān)閉 (b) 柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路及其雜散電感。雜散電感來(lái)自走線和互連，例如引線鍵合、焊料凸點(diǎn)和 PCB 走線。GaN 器件是橫向的，所有電氣連接都在同一表面上，允許使用焊料凸塊進(jìn)行晶圓級(jí)封裝。它們的電感比具有垂直結(jié)構(gòu)的硅 MOSFET 所需的焊線或夾子低得多。具有柵極驅(qū)動(dòng)器的 GaN 晶體管的分立實(shí)現(xiàn)具有電容器的等效串聯(lián)電感 (ESL)、柵極驅(qū)動(dòng)器 V DD、 V SS的焊料凸點(diǎn)或焊線以及柵極和源極中的功率晶體管焊料凸點(diǎn)的電感。和 PCB 走線。這些電感會(huì)阻礙功率晶體管柵極電容的充電和放電，從而減慢開(kāi)關(guān)速度并增加換向損耗?！　√貏e值得關(guān)注的是共源電感 (L CS )。這是柵極驅(qū)動(dòng)和電源環(huán)路共有的電感。它由功率晶體管源極焊料凸塊和分離點(diǎn)之前的任何源極 PCB 走線組成。良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐是將這些環(huán)路盡可能靠近 FET 源極分開(kāi)。共源電感的影響是電源環(huán)路 di/dt 在 L CS上感應(yīng)出一個(gè)電壓，該電壓會(huì)從導(dǎo)通期間施加到功率晶體管的V GS中減去（并在關(guān)斷期間添加到 V GS上），從而減慢電流換向速度并增加開(kāi)關(guān)損耗[3][4]。

　　一個(gè)。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]

　　b. 圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]

　　c. 圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　　　圖 2.  (a) 離散導(dǎo)通、(b) 離散關(guān)斷、(c) 集成 GaN 導(dǎo)通、(d) 集成 GaN 關(guān)斷的功率塊柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路。 圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　考慮像激光雷達(dá)的激光驅(qū)動(dòng)器這樣的應(yīng)用，需要在 1 ns 內(nèi)開(kāi)啟 100 A 的電流?；A(chǔ)電子學(xué)告訴我們 V = L di/ dt。 50 pH 的 L CS會(huì)產(chǎn)生 5 V 電壓，在柵極驅(qū)動(dòng)阻抗上留下 0 V 電壓以開(kāi)啟功率晶體管，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)所需的 di/dt。雖然這個(gè)例子是極端的，但真實(shí)的共源電感對(duì)電流換向時(shí)間的影響在功率轉(zhuǎn)換和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中非常重要。電流換向時(shí)間通過(guò)等式 1 估算，其中電流換向所需的柵極電荷通過(guò) (Q GS - Q G(TH) ) 估算，R G是集總柵極驅(qū)動(dòng)阻抗，V GS是功率晶體管柵極驅(qū)動(dòng)電壓支持換向電流，V DD是柵極驅(qū)動(dòng)器電壓。
　　\(t=\frac{Z_{G}(Q_{GS}-Q_{G(TH)})+L_{CS}I_{D}}{V_{DD}-V_{GS}}\) (1 ) 當(dāng)前換向時(shí)間
　　\(E=\frac{t*I_{D}*D}{2}\) (2) 由于電流換向時(shí)間造成的能量損失
　　\(P=E*f\) (3) 由于電流換相時(shí)間造成的功率損耗
　　例如，考慮 EPC2088 [5] 硬開(kāi)啟，在 1 MHz 下?lián)Q向 50 V、25 A。 Q GS = 4.4 nC，Q G(TH) = 3.2 nC，Z G = R G (0.4 Ω) 加上 0.7 Ω 柵極驅(qū)動(dòng)器電阻（忽略柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感），V DD = 5 V，V GS @ 25 A = 2.3 V，L CS = 100 pH。等式 1 的Z G項(xiàng)得出 t = 600 ps 換向時(shí)間。 L CS項(xiàng)導(dǎo)致 1.14 ns 的電流換向時(shí)間。在此示例中，65% 的電流換向時(shí)間是由于共源電感造成的。使用等式 2 和 3，在每個(gè)周期切換 25 A 和 50 V 時(shí)會(huì)損失 710 ?J 的能量，僅由于共源電感，在 1 MHz 時(shí)會(huì)消耗 710 mW 的功率。顯然，為了減小尺寸并獲得高頻的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，必須最小化共源電感。
　　其余柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的影響要直接得多，因?yàn)樗鼈兪?RLC 環(huán)路，其中電阻和電感會(huì)阻礙柵極電容的充電，如果電感太高，則必須添加電阻來(lái)控制柵極過(guò)沖和振鈴，進(jìn)一步增加換向損耗。公式 4 顯示了柵極環(huán)路臨界阻尼所需的電阻，其中 R G(on)是總導(dǎo)通柵極環(huán)路電阻，LG(on) 是導(dǎo)通柵極環(huán)路電感，Lcs 是共源極電感， CGS(on) 是換向電壓下的 FET 柵源電容 [4]。由于時(shí)間、能量和功率與共源電感呈線性關(guān)系，高頻功率轉(zhuǎn)換需要特別注意封裝和布局。
　　\(R_{G(on)}\geq\sqrt{\frac{4\times(L_{G(on)}+L_{CS})}{C_{GS(on)}}}\) (4)臨界阻尼所需的電阻
　　考慮功率晶體管與柵極驅(qū)動(dòng)器集成的集成電路。這種集成消除了導(dǎo)通（圖 2 (c)）和關(guān)斷（圖 2 (d)）柵極驅(qū)動(dòng)路徑中的所有外部共源電感，從而由 IC 設(shè)計(jì)人員自行決定如何最大限度地減少內(nèi)部共源電感。精心放置 VDD 和 VSS 端子有助于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員最大限度地減少跡線電感，從而使電容器等效串聯(lián)電感 (ESL) 以及 VDD 和 VSS 焊料凸點(diǎn)成為導(dǎo)通柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路電感的唯一重要來(lái)源。對(duì)于關(guān)斷柵極驅(qū)動(dòng)環(huán)路，所有電感都包含在 IC 內(nèi)，使其達(dá)到絕對(duì)最小值。
　　除了減少柵極環(huán)路和共源極電感之外，將柵極驅(qū)動(dòng)器與功率晶體管集成還提供了將柵極驅(qū)動(dòng)器與功率晶體管匹配以獲得最佳驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的機(jī)會(huì)。例如 EPC21601（單端 40 V）、EPC21603（LVDS 40 V）和 EPC21701（單端 100 V）。
　　圖 3.  EPC23102 的功能框圖。圖片由博多電力系統(tǒng)提供  [PDF]
　　這些 GaN IC 專為需要在大于 100 MHz 的頻率下切換 15 A 的間接飛行時(shí)間而設(shè)計(jì)。