半桥是各种类型的功率变换器中最具代表性、最基本的结构之一，适用于输出功率从几百瓦到 1 千瓦的应用。该电路的实现相当简单，只需两个串联在直流电压源上的功率开关、若干无源元件以及用于隔离应用的变压器。半桥结构设计简单、成本相对较低，能够实现高效率的功率变换系统、开关模式电源 (SMPS)、充电器和电机驱动器。

基本半桥概念

半桥结构由两个有源开关元件组成，它们串联在直流供电电压的正负轨之间。两个功率开关的连接点称为开关节点，该点即为输出点，可提供两个功率开关换向所产生的波形。

从历史上看，半桥变换器通常使用硅功率 mosfet 或 IGBT 设计。然而，近年来，氮化镓 (GaN) 等宽禁带半导体的日益普及，使得这类变换器能够处理更高的开关频率并提高效率。

半桥结构的工作原理基于两个开关互斥(且绝不能同时)导通。当上管(也称为高边开关)导通时，开关节点连接到正电源线 (VIN)。当下管(低边开关)导通时，开关节点连接到地。

两个开关绝不能同时导通，因为这会产生一种称为"直通"的现象，此时过大的电流流过开关，导致器件损坏。为此，在一个开关关断和互补开关后续导通之间会插入一段延时(死区时间)，这段延时通常是可配置的。

两个开关的快速换向在开关节点处产生矩形波形，该波形经过后续滤波后转换为所需的直流输出电压。该波形的占空比决定了平均输出电压值。合适的控制电路产生用于激活两个功率开关的 PWM 信号，并控制它们的导通和关断时间(死区时间)。这些栅极驱动电路通常集成了 MOSFET，形成单片式半桥电路。

氮化镓半桥的优势

与传统的硅基器件(如 MOSFET 和 IGBT)相比，GaN 开关在半桥应用中具有显著优势。事实上，这些宽禁带功率器件具有更低的导通电阻 (RDS(on))、更低的栅极电荷 (Qg)，并且由于缺乏少子 PN 体二极管，其反向恢复电荷 (Qrr) 接近于零。

这些特性使得 GaN 器件能够以高达兆赫兹范围的高开关频率运行，同时保持较低的开关损耗。使用基于 GaN 的功率器件还可以减小电感、电容和磁性元件等无源组件的尺寸。

由于变换器在 PCB 上占用的空间更少，或者可以集成到更小尺寸的封装中，因此还可以实现更高的功率密度。在消费电子、汽车系统和电信基础设施等空间有限的应用中，尺寸减小代表着竞争优势。

GaN 开关的开启和关断速度比硅快得多，从而减少了开关转换过程中浪费的功率。当以高开关频率运行时，功率开关通常会引起"振铃"，即表现为电压尖峰的电噪声。然而，GaN 具有更干净、更平滑的转换特性，可以防止这种噪声并减少电磁干扰 (EMI)。

变换器实例

以基于半桥拓扑的变换器为例，我们来看看宜普电源转换公司 (EPC) 的 EPC90123 评估板。该板实现了一个 100 V、25 A 的半桥变换器电路，包括两个 EPC2218 GaN 功率开关 FET、一个 uPI SEMI uP1966E 栅极驱动电路，以及一个用于提升自举电源的 EPC2038 GaN FET。

该板的原理图如图 1 所示。我们可以看到两个 eGaN FET Q1(高边)和 Q2(低边)，它们配备了集成体二极管、开关节点以及连接在开关节点与输出端(直流输出)之间的电感 L1。

图1

该板(图 2)非常小(2 x 2 英寸)，其设计旨在能够快速、轻松地集成到大多数功率变换器中，包括降压和升压变换器。

EPC90123 板可以使用专用跳线轻松配置为降压或升压变换器，并包含一个输入 PWM 信号控制电路，确保信号在降压和升压模式下都具有正极性。此外，该评估板还配备了适当的测试引脚，允许在变换器运行期间测量重要信号(例如开关节点上的电压)。

uP1966E 元件是一款专为增强型 GaN 晶体管设计的双通道栅极驱动器。该器件可以分别驱动半桥结构的高边和低边开关，工作频率高达数兆赫兹。这允许分别设置开启和关断时间。通过在 EPC90123 板上为电阻 R620 和 R625 分配适当的值，可以配置这些设置(图 2，左侧)。

图2

该板配备的 EPC2218 是一种增强型 (e-mode) GaN 功率晶体管，仅以带有焊条的钝化裸片形式提供，如图 3 所示。作为增强型器件，该元件提供了一个可靠且易于使用的栅极，典型的栅极开启电压为 5V，关断电压为 0V，无需施加负栅极电压。

图3

其连续漏极电流 ID 为 60 A，但该开关能够在 25°C 下承受 309 A、125°C 下承受 247 A 的脉冲电流(持续 10 μs)。该 FET 可在 -40°C 至 +150°C 的温度范围内工作，最大导通电阻为 3.2 mΩ(典型值为 2.4 mΩ)。

举例而言，图 4 显示了当评估板的半桥变换器在输入电压为 48 V、频率为 500 kHz 的条件下运行，并向 12 V 负载提供 25 A 电流时，开关节点(蓝色)和电感电流(品红色)的波形。

图4

从两个放大的对应于输出波形开关的局部图中可以看出，信号振荡(振铃)非常小。这种行为是 GaN 功率开关的典型特征，与硅 MOSFET 相比，GaN 功率开关的寄生电容 (Coss) 和封装电感要小得多。此外，根据 EPC 提供的测量数据，在 500 kHz 的开关频率下，负载电流约为 15 A 时，变换器效率高达 96%。