氮化鎵下橋閘極驅動電路

氮化鎵電晶體在使用上需要克服許多問題，首先就是氮化鎵材料為空乏型電 晶體，所以控制器產生的控制訊號並不能直接用來驅動氮化鎵元件。在上一章節 中介紹的第二種驅動電路可直接使用正訊號進行控制，適合作為氮化鎵電晶體的 閘極驅動電路使用，本文將討論其細部運作的情形。

3.1.1 電路運作方式

圖 3.1 為氮化鎵下橋閘極驅動電路，若將 M1、M2 導通時等效成一大小為

RDS(on)的電阻，M1、M2 關閉時則等效成開路（Open Circuit），即可將其簡化成

如圖3.2 的等效電路。以下將此電路的運作模式分成三個部分做描述：

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圖3.1 氮化鎵下橋驅動電路

(1) 狀態一：

在電路運作之初，C1 電容內並沒有儲存電荷，所以跨壓為 0V。當控制訊號 使M1 導通、M2 關閉時，VCC 將經由 M1、C1、D1 的迴路對 C1 充電，充飽後 C1 跨壓約為 VCC。此時功率電晶體的 VGS約為 0V，為導通狀態，其等效電路 圖如圖3.2（a）所示。

圖3.2 下橋等效電路

(a)  (b)

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(2) 狀態二：

當M1 導通、M2 關閉，此時 C1 的正端會被拉到 0V，造成其負端電壓約為 -VCC，藉此提供負的 VGS關閉空乏型電晶體，其等效電路圖如3.2（b）所示。

由於Ciss的關係，C1 的跨壓並非定值，當其正端被拉到 0V、負端電壓下降 的同時，其儲存的電子將會跑到Ciss內使其跨壓為負。詳細的流程如圖3.3 所示。

(3) 狀態三：

當控制訊號使M1 導通、M2 關閉時，VCC 將對 C1 充電，其等效電路圖與 狀態一相同（圖3.2(a)），不同的是 C1 的跨壓並非從 0V 開始上升。在狀態三區 間結束後，將會接續狀態二區間的操作情形，而狀態一的運作情形只有在一開始 時會發生，之後做開關切換時便可忽略狀態一的情形。

圖3.3 電容 C1 與 Ciss的關係圖

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3.1.2 模擬結果

將上述電路分別添加阻性與感性負載後，於HSPICE 模擬軟體進行模擬，其 中VCC 為 6V、C1 為 100nF、阻性負載為 0.2 歐姆、感性負載為 0.5mH，功率電 晶體的操作電壓/頻率為 24V/100kHz。模擬結果如圖 3.4 和圖 3.5 所示。

圖3.4 為阻性負載的模擬圖，圖中所示的波形依序為下橋的控制訊號、電容 C1 的跨壓變化、功率元件的閘-源極電壓差和輸出訊號。由 C1 的跨壓變化可以 看出狀態一確實只存在於電路開始運作時，之後的電路操作只有狀態二和狀態三 在相互切換而已。由模擬圖也證實此電路可用6V 的輸入訊號控制空乏型電晶體 操作在24V、頻率為 100kHz 的條件下。

圖3.4 阻性負載之下橋驅動電路模擬圖

圖3.5 為阻性負載的模擬圖，圖中所示的波形依序為下橋的控制訊號、電容 C1 的跨壓變化、功率元件的 VGS和輸出訊號。與圖 3.4 相同，各個波形的切換 狀況並不會因為負載改變而有產生變化。由模擬圖也證實在感性負載下，此電路 依然可以操作在24V、頻率為 100kHz 的條件下。

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圖3.5 感性負載之下橋驅動電路模擬圖