氮化镓晶体管的并联配置应用

引言

在功率变换器应用中，宽带隙（WBG）技术日益成为传统硅晶体管的替代产品。在某些细分市场的应用场景中，提升效率极限一或两个百分点依然关系重大，变换器功率密度的提高可以提供更多应用优势，在这种情况下采用基于氮化镓（GaN）晶体管的解决方案意义重大。与传统硅器件相类似，GaN晶体管单位裸片面积同样受实际生产工艺限制，单个器件的电流处理能力存在上限。为了增大输出功率，并联配置晶体管已成为设计工程师可以考虑的选项之一。应用晶体管并联技术在最大限度提升变换器输出功率的同时，也带来了电路设计层面的挑战。

并联晶体管的设计挑战

在应用晶体管并联技术时，首先需要考虑的是并联晶体管的通态电阻（RDS（on））。理想情况下，所选器件应均匀匹配，以确保静态电流在并联晶体管之间平均分配。其次，在动态开关过程中，如果晶体管栅极缺乏对称性，不仅会导致流经晶体管的电流分配不平衡，动态电流和电路寄生参数将会导致高频振荡电压。如果这些无法解决这些问题，将可能导致晶体管损坏。

尽管传统硅晶体管的并联配置技术已经十分成熟，但对于GaN器件并联技术研究还鲜有涉及。考虑到GaN器件驱动的特殊性以及其高速开关特性，我们将首先从GaN器件驱动电路设计开始介绍。

正确设计驱动电路

诸如英飞凌科技CoolGaN600VHEMT之类的GaN晶体管采用了栅极p型掺杂工艺，这会将器件的栅极阈值电压转换为很低的正向电压（1.0V～1.5V）。该结构中栅极形成的pn结正向电压（VF）约为3.0V，电阻为几欧姆，与栅极电容CG并联。因此，CoolGaN晶体管驱动电路与传统硅晶体管存在很大差异。栅极驱动过程中，一旦达到Miller平台，栅极电压就被钳位到接近VF的值，这意味着在硬开关应用中需要负电压来关断晶体管。同时，CoolGaN器件在稳态导通状态和开关瞬态所需驱动也有所不同。

针对CoolGaN晶体管特性设计的栅极驱动电路如图1所示。为确保栅极驱动正常，驱动电压VS的峰值需要超过VF的两倍（通常使用8V～10V），通过Ron提供了一条瞬态低阻抗高速AC路径来为Con和CGS充电，然后通过RSS形成一条并联的稳态DC路径。因此，栅极导通瞬态电流由Ron决定，而RSS决定稳态二极管电流。

在栅极关断时，CGS和Con中的电荷将快速达到平衡。此处必须确保Con大于CGS，以确保稳态的电荷差使栅极电压VG变为负值，从而在硬开关应用中关断晶体管。