Page 214 - 《应用声学》2024年第6期

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串扰，同时采用电阻-电容- 二极管组成的电压关断
0 引言
型缓冲电路(RCD缓冲电路)抑制尖峰振荡。
随着半导体行业的迅速发展，芯片体积逐渐减
1 桥臂串扰及漏源电压尖峰振荡产生的
小，超声清洗对于微纳米级别的待清洗颗粒已无能
分析
为力。而频率大于 800 kHz 的兆声清洗 [1] 由于可去
除纳米级颗粒，成为半导体清洗的最主要手段之一。 1.1 桥臂串扰产生的分析
兆声清洗系统的重要组成部分是兆声电源，但其 兆声电源的主要工作回路是由以 GaN HEMT
性能主要受制于驱动功率管的稳定性，尽管宽禁带 为核心器件的驱动回路和功率回路两大部分组成。
氮化镓 (GaN) 高电子迁移率晶体管 (High electron 驱动回路包含隔离驱动器和栅极外围电路，功率回
mobility transistors, HEMT) 器件比传统的硅晶体 路包括半桥逆变电路和换能器负载等效电路。图 1
管栅源极电容小、开关速度快 [2−3] ，并已大幅度提 为半桥逆变电路原理图，其中 Q H 和 Q L 分别是高
升了兆声电源的稳定性，但仍存在桥臂串扰和漏源 侧开关功率管和低侧开关功率管，R g_H 和R g_L 分
极电压振荡等问题，影响器件寿命和系统稳定性。 别是高侧开关的栅极驱动电阻和低侧开关的栅极
GaN HEMT 器件可分为增强型 GaN HEMT 和级 驱动电阻，C gd_H 和 C gd_L 分别是高低侧开关的内
联型GaN HEMT两类。由于增强型GaN HEMT的 部寄生栅漏极电容即米勒电容，C gs_H 和 C gs_L 分
有效栅极电压小于 10 V，其驱动电压通常小于7 V， 别是高低侧开关的内部寄生栅源极电容，C ds_H 和
且其阈值电压通常小于1.5 V ，在高频工作时极易 C ds_L 分别是高低侧开关的内部寄生漏源极电容，
[4]
因寄生参数产生振荡引起失效，可靠性低。而级联 L CS_H 和 L CS_L 是高低侧开关电路导线分布参数
型 GaN HEMT 具有 ±20 V 的有效栅极额定值，可 带来的共源电感，T 为输出变压器，换能器负载等效
以由 0∼10 V 或 12 V 标准电压驱动，且阈值电压较 电路由C 0 、R m 、L m 和C m 组成，C H 和C L 为平衡电

增强型 GaN HEMT 高，在一定程度上减小了由高 容，V DC 为直流电源电压。功率回路中少量的耦合
dv/dt和 di/dt 导致的误开通，但由于其特殊的级联 可能会在驱动回路中造成很大的干扰，功率回路和
结构产生了大量的寄生元件，且级联 GaN HEMT 驱动回路之间有两种耦合方式。第一种是米勒电容
栅极电荷和输出结电容比 Si MOSFET 低得多，容 (C gd ) 引起的电容耦合，第二个是由共源电感(L CS )
易出现误导通现象，导致高开关损耗、击穿甚至持 引起的电感耦合，这两种耦合方式导致驱动电路受
续振荡 [5] 。针对串扰问题，Lu等 [6] 通过构建高阻抗 到影响产生桥臂串扰，下面对两种寄生参数造成串
栅极环路来消除共源电感上的压降，降低了串扰但 扰的机理进行分析。
同时增加了驱动功率损耗。Liu 等 [7] 设计了平行栅
V DC
极驱动电路，该电路使用负压方式抑制串扰，同时在
串扰结束后可以将功率管栅源极电压从负压钳位 C gd_H
Q H C ds_H
至 0 V，避免负向串扰造成的负向冲击的同时减小 C H
᯶ R g_H
了开通损耗和时间。Liang等 [8] 使用两个双极结型 ү C gs_H
ڀ T
晶体管和一个二极管结合负驱动电压，提供低阻抗 ᡹ L CS_H R m
C  C m
路径来旁路栅极漏极电容的位移电流。针对振荡尖 C gd_L C ds_L L m
峰问题，陈哲等 [9] 通过在回路加入铁氧体磁珠的方 R g_L Q L
᯶ C L
法减小振荡。Yang等 [10] 使用穷竭法获得电阻电容 ү C gs_L Ҫ
ڀ ဋ
缓冲器 (RC 缓冲器) 设计的优化区域，可以完全抑 ᡹ L CS_L ڀ
᡹
制导通或关断振荡。尽管围绕 GaN HEMT 兆声电
源的串扰和尖峰振荡问题已有研究，但同时解决串 GND
扰与尖峰振荡仍需进一步研究。因此本文在兆声电
图 1 半桥逆变电路原理图
源的应用背景下针对级联型 GaN HEMT 采取负压 Fig. 1 Schematic diagram of half bridge inverter
与基于辅助电容抑制电路相结合的方法抑制桥臂 circuit