团队介绍

• 高珊珊，博士研究生，主要研究方向为高频功率变换器、高电压增益变换器。曾参与国家重点研发计划、国家自然科学基金项目，以第一作者发表SCI、EI论文12篇，授权国家发明专利2项。
• 王懿杰，哈尔滨工业大学教授，博士生导师，1982年出生于黑龙江省，主要研究方向包括照明电子、无线电能传输技术、高频以及超高频功率变换技术。共发表SCI/EI检索文章150余篇，授权发明专利16项，受理25项。

研究背景

近年来，伴随着以氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体器件的不断成熟，高频、高功率密度成为电力电子变换器的主要发展方向。传统驱动电路在高频应用场合下存在损耗较大、驱动速度有限的问题，因此在高频应用场合多采用谐振式驱动电路。然而，与硅器件不同，GaN器件的开通阈值电压相对较低，易受到电路中震荡的影响；且没有体二极管，反向导通压降较大，因此传统的谐振栅极驱动电路不适用于GaN器件。

论文所解决的问题及意义

本文针对高频应用场合中寄生参数易引起驱动信号震荡的问题，结合GaN器件特点，提出了一种基于电压移位电路的非对称谐振栅极驱动，可灵活调节开通和关断电压，提升了驱动方案的可靠性及效率。此外，对于需要两个同步开关的应用场合，如开关电感变换器等，采用具有两个副边的变压器实现两路隔离同相驱动信号的输出。

论文方法及创新点

本文提出的基于电压移位电路的非对称谐振栅极驱动电路如图1所示。其中变压器有两个副边，原副边匝比为1:1:1，可实现原副边的隔离以及两路同步信号的输出。

相比于传统方案，减少了一组全桥电路，电路结构更加简单同时损耗也相应减小。通过变压器副边的漏感Lr与开关管的寄生电容谐振，取消了抑制振荡的栅极电阻，可提升开关速度并且降低损耗。同时增加电平移位电路调节驱动电压偏置，通过调节电阻R1、R2大小，使驱动信号的电压满足开关器件的要求。

图中谐振电感大小直接决定着驱动电路的充电电流和开关速度，同时影响谐振网络的工作状态和S1-S4的软开关情况，从而影响驱动电路的效率。因此，在满足谐振条件的情况下，谐振电感的选择应综合考虑开关速度、系统损耗及防止开关误动作的问题。

图1 基于变压器的谐振栅极驱动电路

结论

本文针对GaN器件提出了一种具有非对称电压和两个同步驱动信号的谐振栅极驱动电路。本文在传统的谐振驱动电路的基础上，增加负电压以确保可靠关断，并基于电压移位电路产生较小的关断电压以降低损耗。此外，采用具有两组副边的变压器来产生两个同步驱动信号，可应用于如开关电感变换器等应用场合。通过优化谐振电感参数，在1MHz开关频率下，所提出的谐振驱动电路损耗相比于基于驱动芯片的硬驱动电路效率可大幅提升。

引用本文

高珊珊，王懿杰，刘怡宁，徐殿国. 针对GaN器件的非对称双路同步谐振栅极驱动电路[J]. 电工技术学报， 2021, 36(20): 4185-4193. Gao Shanshan, Wang Yijie, Liu Yining, Xu Dianguo. Resonant Gate Driver with Asymmetrical Voltage and Two Synchronous Drive Signals for GaN Switches. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(20): 4185-4193.