Instability Analysis and Oscillation Suppression of Enhancement-Mode GaN Devices--GaN半桥电路中不稳定分析

几种GaN半桥电路中存在的问题
（1）PWM信号失真

图1 PWM信号失真
由于较高的dv/dt会通过信号电路和功率电路的寄生电容，使PWM信号发生失真，PWM信号失真，会使GaN错误的开通和关断。
（2）开通时刻门级驱动振荡

图2 开通时刻门级驱动振荡
第二个常见问题是由高dv / dt和高di / dt引起的导通门振荡。在半桥电路中，当有源开关导通时，无源器件的漏源电压急剧增加。位移电流流过非激活开关的米勒电容到其栅极节点，这可能导致栅极 - 源极电压超过阈值电压。
同时，在di / dt的作用下在共源电感两端产生电压。电压通过驱动器环路使非激活开关的栅 - 源电压恶化。在更糟糕的情况下，这个问题可能导致持续的振荡。
（3）关断时刻门级驱动振荡

图3 关断时刻门级驱动振荡
在有源开关关断过程中，由高dv / dt引起的通过米勒电容的电流必须通过栅极电感沉没，因此，能量存储在栅极电感中。然后在栅极电感和输入电容的作用下，有源开关的栅极电压回振并可能超过阈值电压，从而导致错误导通甚至持续振荡。

（4）级联GaN在高电流关断下回引起振荡
通过使用与耗尽型GaN器件串联连接的低压Si MOSFET，共源共栅GaN器件通常是关断的。 GaN器件和Si MOSFET之间的电容失配可能导致振荡。
该情况下的振荡可以通过添加适当的电容与Si MOSFET并联可以解决问题。
（5）

图4 双脉冲测试电路
在该电路中，由于GaN独特的反向恢复问题，当有源开关（active switch）Q2关断，不工作开关（inactive switch）Q1反向导通的时候会引起振荡，此时Q2 Vgs正常。
二、电路参数对稳定性的影响
阻尼比随着Rloop的增加而增大，或者会随着gm和Ls的减小而增大；
Rg和Cgs越大，系统趋于稳定;
随着LD的减小或Lg的增加，不稳定区域移动到较低的电压区域；
Coss2的增加扩大了不稳定区域;
Cgd和Cds对阻尼比几乎没有影响。
三、抑制振荡的措施
通过优化布局来尽可能地减少系统的寄生参数，如LD，Cext，尤其是LS。该措施不仅会降低系统的振荡，同时也会相对降低开关损耗。
增加门级驱动电阻Rg。–该方法的好处：降低系统振荡；坏处：增加系统误导通的可能性。
在不工作开关管（inactive switch Q1）上并联一个特性较好的二极管。通过该二极管旁路流过Q1的反向电流。–该方法的好处：降低系统的反向导通损耗；坏处：增大系统的开关损耗。
【注意】
It should be noted that reducing the switching speed of the active device does not help to reduce the risk of sustained oscillation.
应注意，降低有源器件的开关速度无助于降低持续振荡的风险。

参考文献
[1] K. Wang, X. Yang, L. Wang, and P. Jain, “Instability Analysis and Oscillation Suppression of Enhancement-Mode GaN Devices in Half-Bridge Circuits,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 33, no. 2, pp. 1585–1596, 2018.

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