1 引言

业内越来越多地采用 GaN FET，以便在电动汽车、服务器电源和电机驱动器中实现比硅 MOSFET 更好的开关特性。GaN FET 支持在更高的开关频率下运行，这有助于减小系统尺寸、降低成本和重量。

48V 至 12V 直流/直流转换器在许多电源应用中发挥着至关重要的作用，通常使用 LLC、同步降压或降压/升压拓扑来实现。这些半桥拓扑之间的一个常见因素是，拓扑需要死区时间或非导通时间，期间高侧和低侧 FET 均处于关闭状态。

负载电流 (IL) 必须在死区时间内继续循环。这种工作模式称为第三象限 运行，其中 FET Vgs 为 0V 且有负电流流动。有关第三象限运行的更多详细信息，请参阅 GaN 是否具有体二极管？– 了解 GaN 的第三象限运行。图 1-1 展示了一个半桥降压转换器示例以及相关参数。图 1-2 显示了主要问题：在死区时间内，HS 上会产生较大的负电压。

图 1-1 展示自举过充相关参数的半桥降压转换器简化版原理图

图 1-2 展示 IL、死区时间和负 HS 电压之间关系的波形捕捉

这种负电压与 GaN FET 的特性有关。与硅功率 FET 不同的是，GaN FET 没有会形成体二极管 的寄生 P-N 结。在 MOSFET 中，体二极管在第三象限运行时，其作用类似于正向电压 (VF) 约为 0.7V 的二极管。当 MOSFET 在第三象限导通时，HS 上产生的负电压约为体二极管的 VF。在 GaN FET 中，缺少体二极管意味着行为有所不同。

当 Vgs 较低（通常为 0V）并且强制电流通过 GaN FET 时，会发生第三象限运行。FET 在此状态下处于关闭状态，被视为一个大电阻器。当电流被强制流过这个大电阻器时，就会产生电压。FET 器件的源极到漏极产生电压 (VSD)。漏极必须对地为负，因为源极连接到接地端。由于 GaN FET 的双向特性，最低电压节点充当器件的源极。栅极电压为 0V，漏极（现在为源极）为负，因此器件上会产生 Vgs。一旦该 Vgs 超过 GaN FET 的阈值电压 (Vth)，FET 就会导通并再次变为小电阻。这可以阻止电压增加，最终导致出现在 HS 节点上的负电压大致等于 GaN FET 的 Vth。此过程称为自换向，因为器件会自行开启。

自换向与 MOSFET 的体二极管导通有两个主要区别。第一个区别是自换向电流在器件的通道中传导，而不是在寄生体二极管中传导。在 P-N 体二极管中传导电流时，体二极管中将内置反向恢复电荷 (Qrr)。但是，当电流在通道中传导时，不存在 Qrr。第二个区别是自换向会产生比体二极管导通高很多的负电压，这是因为 GaN FET Vth 远高于体二极管 VF。

由于这些差异，许多设计人员喜欢将 GaN FET 视为具有高正向电压且没有反向恢复电荷的体二极管。该二极管模型的主要缺陷是模型忽略了 Vg 在确定负电压方面的作用。如果设计人员使用负 Vgs 来防止误导通（许多设计人员都会这样做），则负 HS 电压会增加。

方程式 1 估算了任何 GaN FET 的负 HS 电压。大多数制造商都提供了图供参考，如图 1-3 所示。

图 1-3 显示第三象限 Vds 电压与负载和不同 Vgs 电压的图