CN107911010A - 一种GaN功率器件的驱动*** - Google Patents

一种GaN功率器件的驱动*** Download PDF

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高圣伟
苏佳
李龙女
刘晓明
祁树岭
段尧文
路鑫
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Abstract

本发明涉及一种GaN功率器件的驱动***，主要包括有控制电路1、谐振电路以及无损缓冲电路3，谐振电路还包括开通谐振电路2和关断谐振电路4，通过上下两条不同的充放电回路，使得此驱动电路具有提供不对称的输出能力。利用谐振原理在开关管关断过程中通过L将存储在C中的能量反馈到电源中，使能量得到有效利用，同时加入无损缓冲电路来减缓电压的上升速度，在一定程度上保护了GaN功率器件，解决了GaN功率器件驱动电路的高损耗问题。

Description

一种GaN功率器件的驱动***
技术领域
本发明涉及GaN功率器件的应用领域，尤其涉及一种GaN功率器件的驱动***。
背景技术
宽禁带半导体GaN是第三代功率器件的理想材料，是功率变换器的主要部分，使功率变换器朝着高频、高功率密度以及更小的体积方向发展。在拥有更快开关速度的同时，由于功率损耗与频率是成比例增加的，因此在高频下，功率损耗是最主要的问题，在开关频率较高时，开关损耗是功率损耗的主要因素。当GaN MOSFET应用于高频时，传统的门极驱动电路不能满足低功耗的要求，功率损耗与频率会成比例的增加。GaN MOSFET的门极阈值电压很低，在1.4-1.7V范围内，很容易由电路中的寄生电感产生的振荡尖峰使其误导通。
为了适应未来的发展需求，变换器必须要提高效率和功率密度，满足低损耗的特点，但是目前GaN驱动电路的功率损耗仍然比较高，因此本发明提出了一种低功耗的GaN功率器件的驱动***。
发明内容
本发明提供了一种GaN功率器件的驱动***，用来解决目前GaN驱动电路的高功率损耗问题，同时也减小了GaN功率器件在开关过程中的电压尖峰和电流尖峰。
本发明提供了一种GaN功率器件的驱动***，包括控制电路1，开通谐振电路2，关断谐振电路4，无损缓冲电路3，所述的控制电路1用于产生两路PWM信号，辅助开关管Q1和Q2导通；所述的开通谐振电路2由D1、L1和R1组成，用来实现主开关管T1开通；所述的关断谐振电路4由D2、L2和R2组成，用来实现主开关管T1关断；所述的无损缓冲电路3用来减缓主开关管T1漏极电压的上升速度，对主开关管T1起到保护作用。
控制电路包括上下两路PWM输出，可以控制辅助开关管的门极驱动电压，可以根据氮化镓主开关管T1的型号来确定G极的驱动电压的大小。
GaN功率器件的驱动电路包括谐振电路，根据所选GaN功率器件的参数来确定谐振电路所用器件的参数，谐振电路用于实现辅助开关管的零电压开关，减小辅助开关管的开关损耗。
更进一步，谐振电路2和谐振电路4采用充电和放电独立的回路，具备提供不对称输出的能力，所述的谐振电路2为D1、L1、R1组成，当辅助开关管Q1开断的时候，谐振电感L1与氮化镓T1的外部输入电容Ci以及电阻R1组成LCR谐振电路，谐振电感L1与外部输入电容Ci发生谐振；所述的谐振电路4为D2、L2、R2组成，当辅助开关管Q2开断的时候，谐振电感L2与氮化镓T1的外部输入电容Ci以及电阻R2组成LCR谐振电路，谐振电感L2与外部输入电容Ci发生谐振。
GaN功率器件的驱动电路还包括无损缓冲电路，无损缓冲电路用于减缓GaN功率器件开通后漏极电压的上升速度，达到一种缓冲的作用，同时无损缓冲电路不同于传统的缓冲电路在于电路中没有电阻元件，而是用电感和二极管代替电阻，这样就避免了能量的损耗。
本发明是一种GaN功率器件的驱动***，是用简单的电路和电子元器件，通过模块化组合成为一种新型高效的GaN功率器件的驱动电路。相比较于传统的驱动电路，本发明能更容易满足GaN功率器件在高频条件下的性能要求，在其开断的过程中，上升时间和下降时间都比较小，只有几十纳秒。只要准确控制辅助开关管Q1、Q2的控制信号，就会实现软开关，加入无损缓冲电路后，门极的电压和电流波形得到了明显改善，电压和电流的上升速度变缓，减小了电流尖峰。在一定程度上保护了驱动电路，解决了GaN功率器件驱动电路的高损耗问题。
附图说明
图1是驱动***的整体结构框图
图2是驱动***的模块连接图
图3是驱动***的电路示意图
图4是驱动***的测试波形图
图5是驱动***的各部分损耗数值
图6是实施例中结合GaN驱动***的应用实测波形
其中：
1是控制电路
2是开通谐振电路
3是无损缓冲电路
4是关断谐振电路
具体实施方式
现在通过结合具体实施方式以及附图的方法对本发明做出进一步解释和说明。
图1是驱动***的整体结构框图。从图1中可以看出，本发明适用于GaN功率器件的驱动***包括控制电路1、开通谐振电路2、关断谐振电路4和无损缓冲电路3，控制电路用于产生两路PWM信号，驱动辅助开关管导通；谐振电路用来实现氮化镓T1的开通和关断；无损缓冲电路用来减缓主开关管T1漏极电压的上升速度，对主开关管T1起到保护作用。
在上述实施例中，控制电路包括上下两路PWM输出，可以控制辅助开关管的门极驱动电压，可以根据氮化镓主开关管的型号来确定门极的驱动电压的大小。
在上述实施例中，GaN功率器件的驱动***包括谐振电路，根据所选GaN功率器件的参数来确定谐振电路所用器件的参数，谐振电路用于实现辅助开关管的零电压开关，减小辅助开关管的开关损耗。
在上述实施例中，谐振电路还包括开通谐振电路和关断谐振电路，通过上下两条不同的充放电回路，使得此驱动电路具有提供不对称的输出能力。谐振电路2为D1、L1、R1组成，当辅助开关管Q1开断的时候，谐振电感L1与氮化镓T1的外部输入电容Ci以及电阻R1组成LCR谐振电路，谐振电感L1与外部输入电容Ci发生谐振；谐振电路4为D2、L2、R2组成，当辅助开关管Q2开断的时候，谐振电感L2与氮化镓T1的外部输入电容Ci以及电阻R2组成LCR谐振电路，谐振电感L2与外部输入电容Ci发生谐振。
图2是驱动电路的模块连接图。上述实施例中的各个模块可以通过图2所示的方式进行连接，两条谐振电路构成驱动***的核心模块，控制电路提供上下两路PWM信号输出，通过对辅助开关管Q1，Q2的精确控制，充电回路与放电回路先后发生谐振现象，实现被测试GaN功率器件的零电压开关。然后在被测试GaN功率器件的漏源极两端加上无损缓冲电路，用来减缓漏极电压的上升速度，保证***的稳定运行。
在上述实施例中，无损缓冲电路包括电容C1、二极管D3、D4以及电感L4，当GaN导通时，储存在C1中的能量将会转换为以电感电流形式存在的磁场能量，其中电感L4的一端与GaN源极共接到地。无损缓冲电路用于减缓GaN功率器件开通后漏极电压的上升速度，达到一种缓冲的作用，同时无损缓冲电路不同于传统的缓冲电路在于电路中没有电阻元件，而是用电感和二极管代替电阻，这样就避免了能量的损耗。当主开关管开通的瞬间，电容C1上的电压为零，二极管D3承受了反向电压VCC，然后VCC向电容C1充电，电容C1两端电压升高，同时电感L4两端电压下降，由于电感L4电流不能突变，将会继续给电容C1充电。当电容C1电压为VCC，二极管D3电压为零，电感L4电流为零的时候，由于二极管D4的存在，电容C1没有放电回路；当主开关管氮化镓T1关断的时候，二极管D3导通，电容C1开始放电，氮化镓T1的DS极电压开始缓慢上升至VCC，在这一过程实现了零电压关断，无关断损耗。
图3是驱动电路的电路示意图。在上述实施例中，按照图3所示搭建电路，引入GaN功率器件。
宽禁带半导体GaN是第三代功率器件的理想材料，是功率变换器的主要部分，使功率变换器朝着高频、高功率密度以及更小的体积方向发展。在拥有更快开关速度的同时，由于功率损耗与频率是成比例增加的，因此在高频下，功率损耗是最主要的问题，在开关频率较高时，开关损耗是功率损耗的主要因素。在高频的模式下，GaN的寄生参数成为不可忽略的影响因素，考虑到这点，就可以利用LC谐振的原理，在GaN MOSFET关断的过程中，通过电感L将输入电容Ci中的能量反馈到电压源当中，以此来实现能量的有效利用，减小损耗。
由图4可知，本申请发明的GaN功率器件的驱动电路可以减小漏极电流的尖峰，同时也减缓了漏极电压的上升速度，只要准确控制辅助开关管Q1、Q2的控制信号，在开通过程中，电感就会与门极输入电容发生谐振，但是驱动电流是从零开始的，导致驱动速度较慢。加入无损缓冲电路后，门极的电压和电流波形得到了明显改善，电压和电流的上升速度变缓，减小了电流尖峰，实现了零电压开关。同时，缓冲电路也减小了氮化镓T1的平均损耗，电压和电流尖峰也在其安全值7V与10A之内，防止了二次击穿。
图5是本发明驱动电路的各部分损耗数值，通过计算和仿真共同得到的数据：传统门极驱动的总损耗为0.64W，而本发明驱动***的总损耗为0.2844W，相比于传统GaNMOSFET驱动电路，本发明的驱动***的门极损耗减小了55.56％。
具体的，可以将本发明的驱动***用到DC/DC变换器中。图6为实施例中结合GaN驱动电路的***应用实测波形。在实际工况下，可以看到GaN门极驱动电压为6V，频率为494.8kHz，受电路中寄生参数的影响，在开通过程中有轻微振荡，驱动电压尖峰为7.6V，输出电压尖峰为77V。在关断过程中，波形较为理想，但是关断速度要比开通速度慢，通过计算得到驱动损耗为0.0217W，总损耗为0.3015W。
综合以上所述，本发明是一种GaN功率器件的驱动***，是用简单的电路和电子元器件，通过模块化组合成为一种新型高效的GaN功率器件的驱动电路。相比较于传统的驱动电路，本发明能更容易满足GaN功率器件在高频条件下的性能要求，在其开断的过程中，上升时间和下降时间都比较小，只有几十纳秒。只要准确控制辅助开关管Q1、Q2的控制信号，很容易会实现软开关，加入无损缓冲电路后，GaN功率器件门极的电压和电流波形得到了明显改善，电压和电流的上升速度变缓，减小了电流尖峰。在一定程度上保护了驱动电路，解决了GaN功率器件驱动电路的高损耗问题。

Claims (5)

1.一种GaN功率器件的驱动***，其特征在于，包括控制电路1，开通谐振电路2，关断谐振电路4，无损缓冲电路3，所述的控制电路1用于产生两路PWM信号，辅助开关管Q1和Q2导通；所述的开通谐振电路2由D1、L1和R1组成，用来实现主开关管T1开通；所述的关断谐振电路4由D2、L2和R2组成，用来实现主开关管T1关断；所述的无损缓冲电路3用来减缓主开关管T1漏极电压的上升速度，对主开关管T1起到保护作用。
2.根据权利要求1所述的一种GaN功率器件的驱动***，其特征在于，所述的谐振电路2和谐振电路4采用充电和放电独立的回路，具备提供不对称输出的能力，所述的谐振电路2为D1、L1、R1组成，当辅助开关管Q1开断的时候，谐振电感L1与氮化镓T1的外部输入电容Ci以及电阻R1组成LCR谐振电路，谐振电感L1与外部输入电容Ci发生谐振；所述的谐振电路4为D2、L2、R2组成，当辅助开关管Q2开断的时候，谐振电感L2与氮化镓T1的外部输入电容Ci以及电阻R2组成LCR谐振电路，谐振电感L2与外部输入电容Ci发生谐振。
3.根据权利要求1和权利要求3所述的一种GaN功率器件的驱动***，其特征在于，所述的充电回路为辅助开关管Q1导通、辅助开关管Q2关断时，外部输入电容Ci电压逐渐上升，氮化镓T1导通，L1、Ci和R1构成的谐振电路，当电流上升到峰值时，二极管D1电压反偏，阻止电流继续增大，并将外部输入电容Ci电压钳位在最大值，所述的放电回路为辅助开关管Q2导通、辅助开关管Q1关断时的回路，放电回路的总电压为零。
4.根据权利要求1所述的一种GaN功率器件的驱动***，其特征在于，所述的控制电路1采用“推挽式”结构输出，充电过程中，辅助开关管Q1的输出端经电感L1连接到氮化镓T1的G极，放电过程中，辅助开关管Q2的输入端经电感L2连接到氮化镓T1的G极。
5.根据权利要求1所述的一种GaN功率器件的驱动***，其特征在于，所述的无损缓冲电路3包括电容C1、二极管D3、D4以及电感L4，当氮化镓T1导通时，储存在电容C1中的能量将会转换为以电感L4电流形式存在的磁场能量，其中电感L4的一端与氮化镓S极共接到地。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109067228A (zh) * 2018-08-06 2018-12-21 西北工业大学 一种基于氮化镓功率器件的驱动器及印刷电路布局
CN110138195A (zh) * 2019-05-24 2019-08-16 哈尔滨工业大学 抑制GaN半桥模块电压尖峰与电流谐振的无损缓冲电路及其测试电路
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