近年来，氮化镓 (GaN) 晶体管在高效率和高功率密度转换器中越来越受到关注。与硅器件相比，GaN 器件具有更小的品质因数，因此能够在更高的开关频率下工作，同时保持高效率。 随着开关频率的增加，由于无源元件尺寸的减小，转换器的功率密度可以增加。 但是，较高的开关速度会导致更严重的过压和寄生振铃，而较低的导通电阻和电容会导致较小的阻尼比。 这些可能会导致基于 GaN 的电源电路出现更严重的不稳定问题。
一、常见的震荡问题
图1
图 1 显示了不稳定的三个常见问题之一是由高 dv/dt 引起的 PWM 信号失真 。高 dv/dt 会通过信号电路和电源电路之间的寄生电容使 PWM 信号失真。失真的PWM信号可能导致驱动信号异常，从而触发开关误导通或误关。
图2
第二个常见问题（图2）是由高 dv/dt 和高 di/dt 引起的开启栅极振荡。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上升。位移电流通过非活动开关的米勒电容流向其栅极节点，这可能导致栅源电压超过阈值电压。同时，在di/dt的作用下，共源电感两端会产生电压。该电压通过驱动器环路使无效开关的栅极-源极电压恶化。在更糟糕的情况下，这个问题可能会导致持续振荡。
图3
不稳定的第三个问题是由大栅极电感和高 dv/dt 引起的关断栅极振荡。在有源开关关断过程中，高dv/dt引起的通过米勒电容的电流必须通过栅极电感下沉，从而将能量储存在栅极电感中。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响并可能超过阈值电压，从而导致误导甚至持续振荡。
除了上述问题之外，在基于增强型 GaN 器件的半桥电路中还观察到另一个问题。图 4 显示了测量波形，图 5是基于 GaN 的半桥电路。当有源开关关闭而无源开关反向导通时，就会发生振荡。 注意有源器件的栅源电压是正常的。振荡与 GaN 器件独特的反向传导特性有关，这在基于硅或碳化硅 MOSFET 的电路中不会发生，因为它们与 GaN 器件的反向传导特性不同。
图4
图5
选择图4中带有感性负载的半桥电路来研究不稳定问题。 顶部开关Q1作为同步器件工作，称为无源器件。 底部开关Q2是一个由双脉冲信号驱动的有源器件。 有源开关的切换导致与外部电路的电流换向，而无源开关的切换仅导致内部电流换向。 非活动开关也称为“同步 FET”。 Q2关断后，电感电流IL从Q1的源极流向漏极。 在这种情况下，由于 GaN 器件的反向传导特性和寄生参数，可能会出现持续振荡。 表一列出了常用的符号。
二、问题分析
A、GaN器件反向导通特性
GaN 器件的反向传导特性与 Si 或 SiC MOSFET 的反向传导特性有很大不同。 Si 或 SiC MOSFET 具有体二极管来传导反向电流。 对于GaN器件，内部不存在体二极管。 当栅源电压 Vgs 或栅漏电压 Vgd 大于阈值电压时，电子被吸引到氮化铝镓 (AlGaN) 和 GaN 异质结界面，从而重新建立二维电子气 (2DEG)， 因此GaN器件可以传导电流。 GaN器件可以传导电流的条件是：
Vgs>Vgs,th，GaN器件导通
Vgd>Vgd,th，GaN器件导通
Vgs=0V，GaN器件反向导通
B、小信号模型
该反馈系统有如下参数：
前向放大增益
反馈传递函数
闭环传递函数
T(s) 的极点决定了系统的稳定性。 如果任一极点的实部为正，则系统不稳定。
影响稳定性的主要极点
阻尼比：
阻尼比 ζ 可以用来反映系统的稳定性。 当 ζ = 0 时，振荡幅度随时间保持恒定，振荡频率为 ωd。 当 ζ > 0 时，极点的实部为负，系统稳定。阻尼比 ζ 越大，振荡阻尼越快。 当 ζ < 0 时，极点为正实部，系统不稳定，振荡幅度随时间增加。请注意，由于开关器件的非线性，振荡最终将进入稳定状态。
C、电路参数对稳定性影响
随着寄生参数Rg和Ls 的变化我们可以看出来阻尼不一样，所带来的的震荡幅度不一样，震荡区间也发生了变化。
三、解决问题
图6
图 6显示了带有感性负载的半桥电路的原型。 开关器件为GaN Systems Inc生产的GS66508P（650V增强型GaN器件）。GaN器件的内栅电阻RGint为1.3Ω。 驱动程序是LM5114。 分流器为 SSDN-414，电阻为 0.1Ω，带宽为 2GHz。 探头为 P6139A，带宽为 500MHz。 样机参数如表三所示。 其他参数列于表中。
1、减小同步管的共源电感
进行了两个不同 LS 的实验。 GaN 器件 GS66508P 在封装内部有一个与源极相连的源极检测引脚，以降低 LS。
第一个实验， 无源器件的驱动器地连接到源检测引脚，结果 LS 约为 0.2nH。 当总线电压为 60V 或 100V 时，通过将 RG1 增加到 1Ω，电路是稳定的。
在第二个实验中，驱动器地从源极检测引脚断开，然后连接到源极。 LS 因此增加到大约 0.5nH。 由于某些 GaN 器件没有源检测引脚，因此将驱动器地连接到源是一种合理的方法。 在实验条件下，观察到持续振荡。 实验结果表明，减小LS可以有效抑制振荡。
2、增加同步管的驱动电阻
当 RG1 非常小时，如 0Ω 和 0.5Ω 时，振荡是无阻尼的。
当RG1=1Ω时，振荡衰减缓慢。 当 RG1 增加到 4.7Ω 时，振荡会迅速衰减。 实验结果表明，增加栅极电阻可以显着抑制振荡。
3、同步管漏源极反并联二极管
一个 600V 碳化硅二极管并联在非活动开关的漏极和源极之间以抑制振荡。 SiC 二极管的结电容对稳定性的影响很小。
作为比较，电路在没有二极管的情况下工作在不稳定状态，并在图 中观察到持续振荡。 二极管并联后，持续振荡被抑制。 然而，由于二极管的寄生电感的存在，振荡在开始时不会快速衰减。 应努力降低寄生电感，以达到更好的抑制效果。
四、总结
自激振荡问题与GaN器件反向导通特性和寄生参数有关
1、GaN器件反向续流时工作与饱和区，沟道电流主要受栅漏电压控制
2、器件的结电容和寄生电感构成反馈回路
3、在某些套件下会形成正反馈，从而产生自激振荡的现象
三种抑制震荡措施：
1、减小同步管的共源电感
2、增加同步管的栅极电阻
3、同步管的漏源极反并联二极管