CN113098240B - 一种Cascode型GaN功率器件的驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Cascode型GaN功率器件的驱动电路，通过将GaN驱动电路的开通和关断回路分离，在开通和关断回路中分别采用不同容值的开通加速电容和关断加速电容来并联开通栅极电阻和关断栅极电阻，为GaN功率器件提供不同的动态和稳态栅极电流，加速开通和关断过程，减小开通和关断时间，同时减小电压和电流的尖峰和振荡。解决减小GaN功率器件在开关过程中的电压尖峰、电流尖峰、振荡、开通时间和关断时间，满足GaN驱动电路可靠性高、损耗小、开关速度快的要求。本发明能够满足GaN功率器件在高频条件下的性能要求，保证了高的开关速度、低开关损耗，同时能够有效抑制GaN功率器件开通、关断过程中的漏源极的电压与电流尖峰和振荡，保证了GaN功率器件高可靠的工作。

Description

一种Cascode型GaN功率器件的驱动电路

技术领域

本发明属于功率变换技术领域，涉及一种Cascode型GaN功率器件的驱动电路。

背景技术

近年来，由第三代宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)制成的功率器件在高速和高功率密度的功率电子应用中逐渐兴起。GaN功率器件相比于Si、SiC，具有更高的开关频率、更小的开通电阻以及更小的栅极电荷，这就意味着在高频的应用场合中，GaN功率器件能实现更高的集成度。

目前，商业化的GaN功率器件主要是横向异质结场效应晶体管(HFETs)，又叫高电子迁移率晶体(HEMTs)。GaN HEMT是耗尽型器件，也就是处于常开状态。这种特性给电压型逆变器实际应用中上电启动时的直通保护和掉电时的控制带来了不便。为了实现GaN HEMT器件为常闭状态，通常有两种方法：E-Mode型器件和Cascode型器件。E-Mode型器件通过更改栅极的结构来偏移栅极的开启门限电压为正压。Cascode GaN内部由一个低压Si MOSFET与高压GaN功率器件的共源共栅连接，实现器件的低电平关断和高电平开通。这种结构使得Cascode型GaN具备兼容现有的Si MOSFETs驱动的可能性。然而对比现有的Si MOSFETs和GaN器件的动态性能有着巨大的区别， Cascode型GaN HEMTs的C_iss、C_oss不到Si MOSFETs的一半，而Q_rr不到Si MOSFETs 的十分之一。这些差异使得Cascode型GaN能够工作在高的开关频率下，同时也使得它对驱动的要求和表现与Si MOSFETs是不一样的。Cascode GaN串联结构器件的动态特性比单结构器件更为复杂，采用传统的Si MOSFETs的驱动不能发挥Cascode GaN的优异特性。

高频工作的GaN器件对栅极驱动回路的寄生参数十分敏感，桥臂串扰现象严重，很容易产生电压和电流的高频振荡和过冲，产生严重的EMI问题，甚至损坏器件。传统的解决方案分为三类：(1)优化PCB布局，减少回路的寄生电感，然而这种方法并不能从根本上完全杜绝或消除寄生电感，反而会带来一些其他的诸如散热和结构上的问题；(2)通过加吸收电容来抑制电压和电流的尖峰与振荡，然而这些额外的电感和电容器件增加了额外的损耗，降低了变换器的效率；(3)硅或者碳化硅器件有采用有源门极驱动的方案，这种方案通常是采用高速的AD采样门极的电压或电流信号并通过FPGA来控制门极回路的电压、电流或者阻抗，它需要比较复杂的辅助电路，降低了可靠性。同时，这种方案由于传感器来检测门极电压或电流的阶段并输送给高速AD 用于闭环反馈控制，然而由于Cascode GaN的开关速度短至几纳秒，传感器和AD检测的延时有可能都超过了GaN开关的时间，这种有源驱动电路是否适用于Cascode GaN还不确定。因此，需要设计一种简单有效的驱动电路来保证GaN器件安全可靠运行，并充分发挥GaN功率器件的高频开关特性。

关于GaN功率器件驱动电路的研究目前国内外主要集中于耗尽型GaN和增强型GaN的驱动电路设计，关于Cascode型GaN驱动电路的研究较少。目前，GaN驱动电路的研究主要围绕减小尖峰和振荡以提高可靠性、加速开通和关断过程、减少开关损耗等方面。

在文献：Xi Y,Chen M,Nielson K,et al.Optimization of the drive circuitfor enhancement mode power GaN FETs in DC-DC converters[C]//Applied PowerElectronics Conference&Exposition.IEEE,2012.中，采用拉、灌分离输出的驱动电路的形式，将 GaN驱动电路中的开通与关断回路分离，增加GaN驱动的可靠性。此外，GaN驱动电路中的关断栅极电阻的阻值低于开通栅极电阻，保证GaN功率器件的可靠关断并降低开关损耗。在文献Gurpinar E,Castellazzi A.Single-Phase T-Type Inverter PerformanceBenchmark Using Si IGBTs,SiC MOSFETs,and GaN HEMTs[J].IEEE Transactions onPower Electronics,2016,31(10):7148-7160.和文献Y.Kawai et al.,"An isolated DCpower supply free compact GaN inverter module,"2015IEEE 11th InternationalConference on Power Electronics and Drive Systems,Sydney,NSW,2015,pp.84-88.中，门极驱动侧加入RC电路以加速GaN器件的开关过程。在文献：王品贺.基于GaN功率器件的高频伺服驱动***设计[D].哈尔滨工业大学,2018中，门极驱动回路中采用二极管以区分开通及关断回路，关断栅极电阻的阻值小于开通栅极电阻，并在开关管的GS端并联了稳压管，以防止门极信号电压过冲而烧坏功率器件。在文献：刘红雨.单体增强型GaN驱动电路设计及稳定性研究[D].北京交通大学,2019.中，采用RC式驱动电路，提供不同的动态和稳态栅极电流，加速开关过程，并且开通栅极电阻和关断栅极电阻采用不同的取值。

对国内专利进行了检索，共检索出3篇与本专利应用相近的专利，具体如下表所示：

本发明的思想根据Cascode型GaN开通和关断过程的不同阶段对门极驱动电流的需求，将开通和关断的驱动回路分离，并在开通和关断的回路分别独立设置了不同的加速电容和驱动电阻，独立的加速电容可以满足开通和关断过程中对门极电流的需求。在开通和关断过程中采用不同容值的加速电容，有利于改善GaN的开关特性。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种Cascode型GaN功率器件的驱动电路，该电路能够有效地减小GaN功率器件在开关过程中的电压尖峰、电流尖峰和振荡，同时减小开通和关断时间，满足GaN驱动电路可靠性高、损耗小、开关速度快的要求。

技术方案

一种Cascode型GaN功率器件的驱动电路，其特征在于包括驱动芯片单元、开通栅极电阻单元、开通加速电容单元、开通二极管D1、关断栅极电阻单元、关断加速电容单元和关断二极管D2；驱动芯片单元的GND连接GaN功率器件的S极，输出极通过两个并联电路即开通控制单元和关断控制单元与GaN功率器件的G极连接；所述开通控制单元是：开通二极管D1连接并联的开通栅极电阻单元和开通加速电容单元；所述关断控制单元是：关断二极管D2连接并联的关断栅极电阻单元和关断加速电容单元；所述开通二极管D1的正极与驱动芯片单元的输出端连接；所述关断二极管D2的正极与GaN功率器件的G极连接。

所述开通加速电容单元包含一个或多个电容，加速电容容值选取GaN门极输入电容容值的二分之一。

所述关断加速电容单元包含一个或多个电容，关断电容容值选取GaN门极输入电容容值的二倍。

所述关断加速电容的容值大于4～5倍的开通加速电容的容值。

所述开通加速电容的容值取值200～800pF。

所述开通电阻的阻值大于2倍的关断电阻的阻值。

所述开通电阻通常取值10～50Ω。

有益效果

本发明提出的一种Cascode型GaN功率器件的驱动电路，通过将GaN驱动电路的开通和关断回路分离，在开通和关断回路中分别采用不同容值的开通加速电容和关断加速电容来并联开通栅极电阻和关断栅极电阻，为GaN功率器件提供不同的动态和稳态栅极电流，加速开通和关断过程，减小开通和关断时间，同时减小电压和电流的尖峰和振荡。解决减小GaN功率器件在开关过程中的电压尖峰、电流尖峰、振荡、开通时间和关断时间，满足GaN驱动电路可靠性高、损耗小、开关速度快的要求。该电路。

本发明与检索出3篇与本专利应用相近的专利相比为：

1.氮化镓晶体管的驱动方法、电路及应用其电路的反激变换器，CN104617752A：

该专利公开了一种氮化镓晶体管的驱动方式，其特征在于：

1)所述驱动电路包括电阻R_g1和电阻R_g2，用作抑制驱动电压V_gs的振荡尖峰的阻尼；

2)开启控制端通过电阻R_g1与氮化镓晶体管的栅极连接，关断控制端通过电阻 R_g2与氮化镓晶体管的栅极连接。

本发明同该专利比较区别如下：

1)本发明的开通和和关断回路设置了独立的加速电容，该专利没有；

2)本发明通过二极管来分离开通和关断回路，该专利通过驱动信号来控制开通和关断回路；

3)为Cascode型GaN设计驱动电路，该专利为增强型GaN设计驱动电路，适用对象不同。

2.一种基于氮化镓功率器件的驱动器及印刷电路布局，CN109067228A

该专利公开了一种基于氮化镓功率器件的驱动器及印刷电路布局，其特征在于：

1)在驱动芯片的控制波输出端口通过下拉电阻保证驱动可靠到地，钳位二极管保证驱动电压在正常工作范围内；

2)驱动芯片输出端靠近氮化镓功率器件的栅极采用变阻抗高频抑制器来吸收栅极驱动线路上的干扰，保证在低频率驱动下正常工作，高频率信号干扰下吸收干扰以降低驱动高频尖峰干扰以防止氮化镓功率晶体管误导通；

3)在开关管漏源极两端尖峰吸收模块吸收由氮化镓功率器件开通关断造成的电压尖峰。

本发明同该专利比较区别如下：

1)本发明的开通和关断回路分离，该专利只有一个回路；

2)本发明的开通和和关断回路设置了独立的加速电容，该专利没有。

3)本发明开通和关断过程采用不同阻值的栅极电阻，该专利开通和关断过程共用栅极电阻；

3.一种氮化镓功率器件驱动***，CN110224688A

该专利公开了一种基于氮化镓功率器件的驱动器及印刷电路布局，其特征在于：

1)在驱动芯片的控制波输出端口通过下拉电阻保证驱动可靠到地，钳位二极管保证驱动电压在正常工作范围内；

2)驱动芯片输出端靠近氮化镓功率器件的栅极采用变阻抗高频抑制器来吸收栅极驱动线路上的干扰，保证在低频率驱动下正常工作，高频率信号干扰下吸收干扰以降低驱动高频尖峰干扰以防止氮化镓功率晶体管误导通；

3)在开关管漏源极两端尖峰吸收模块吸收由氮化镓功率器件开通关断造成的电压尖峰。

本发明同该专利比较区别如下：

1)本发明通过二极管来分离开通和关断回路，该专利通过推挽驱动芯片来控制开通和关断回路；

2)本发明在开通和和关断回路设置了独立的加速电容，该电路在开通和关断过程中共用速电容。

总之，本发明提出的一种Cascode型GaN功率器件的驱动电路，采用简单的电子元件和电路，通过模块化组合成为一种高可靠性、低损耗、快速开关的GaN功率器件的驱动电路。相比较于传统的驱动电路，本发明能够满足GaN功率器件在高频条件下的性能要求，保证了高的开关速度、低开关损耗，同时能够有效抑制GaN功率器件开通、关断过程中的漏源极的电压与电流尖峰和振荡，保证了GaN功率器件高可靠的工作。

附图说明

图1为本发明电路的结构示意图；

图2为Cascode型GaN的开通和关断过程波形

图3为本发明电路的双脉冲测试半桥电路；

图4为本发明实施例的GaN功率器件开通波形；

图5为本发明实施例的GaN功率器件关断波形。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

图3所示为Cascode GaN的开通和关断过程的波形，开通和关断的过程可以分为以下9个阶段，每个阶段对门极驱动的要求不一样，本发明根据Cascode GaN的开通和关断过程的不同阶段对门极驱动的电流需求，设计相应的控制策略：1)(t₀–t₁):开通延时阶段，此阶段门极驱动电压低于低压Si MOSFET开启电压V_{th_si}门限，低压Si MOSFET和高压GaN都还处于关断状态，因此这个阶段门极驱动需要大的驱动电流以加速低压Si MOSFET的门极充电过程，减少开通延时；2)MOSFET开通阶段(t₁–t₂): 在此阶段MOSFET的漏源电流来给高压GaN的门极充电，高压GaN仍还处于关断状态，因此大的门极驱动电流将有利于加速GaN的门极充电，加速GaN的开通过程； 3)GaN开通阶段(t₂–t₃):GaN的门极电压到达开通门限，到达米勒平台，此阶段门极需要采用大的驱动电阻，减少驱动电流来抑制电流的尖峰和振荡；4)GaN漏源电压下降阶段(t₃–t₄):此阶段门极也需要大的驱动电阻来减少dv/dt；5)门极电压维持阶段(t₃–t₄): 此阶段GaN已经完全开通，门极之需要小的驱动电流来维持导通即可。和开通过程类似关断过程也分为四个阶段：6)Si MOSFET关断延迟阶段(t₆–t₇):此阶段门极驱动电压仍高于Si MOSFET门极电压门限V_{th_Si}，门极回路需要低阻抗通道来快速放电以减少关断延迟时间；7)Si MOSFET进入放大区(t₇–t₈):门极回路大的放电电流将有助于快速关断MOSFET；8)GaN沟道电流减少(t₈–t₉):这个阶段需要减少门极的放电速度采用大的驱动电阻来抑制GaN沟道电流的di/dt，以减少GaN时的电压尖峰。9)振荡阶段(t₉–t₁₀):此阶段V_{GS_GaN}已经低于V_{th_GaN}，GaN沟道已经关闭。门极驱动对电流和电压基本没有影响，保持低电平状态即可。本发明的GaN功率器件的驱动电路包括：

驱动芯片单元，用于隔离及放大PWM驱动信号；

与所述驱动芯片单元连接的开通控制单元；

与所述驱动芯片单元连接的关断控制单元；

与所述开通控制单元和关断控制单元连接的GaN功率器件。

所述开通控制单元和所述关断控制单元并联连接，并且置于所述驱动芯片单元和所述GaN功率器件之间。

开通控制单元，包含开通二极管D1、开通栅极电阻单元R1、开通加速电容单元 C1；开通栅极电阻单元R1和开通加速电容单元C1并联后与所述开通二极管D1串联连接；利用开通二极管D1的单向导通性实现了GaN驱动开通回路和关断回路的分离。

关断控制单元，包含关断二极管D2、关断栅极电阻单元R2、关断加速电容单元 C2；关断栅极电阻单元R2和关断加速电容单元C2并联后与所述关断二极管D2串联连接；利用关断二极管D2的单向导通性实现了GaN驱动开通回路和关断回路的分离。

开通栅极电阻单元R1和所述开通加速电容单元C1并联连接，分别用来控制GaN 开通过程的不同阶段，提供不同的动态和稳态电流。

关断栅极电阻单元R2和所述关断加速电容单元C2并联连接，分别用来控制GaN 关断过程的不同阶段，提供不同的动态和稳态电流。

开通加速电容单元C1和关断加速电容单元C2中包含一个或多个电容，其容值的选取具有独立性，分别用来保证开通和关断过程都可以获得快的开关速度，同时抑制电流和电压尖峰与振荡。

在开通和关断过程中采用不同阻值的栅极电阻，开通过程中使用较大阻值的栅极电阻，减小开通过程中的尖峰和振荡；关断过程中选择较小的栅极电阻，减小关断时间。

该电路的工作原理是：当驱动芯片的输出端输出控制波为高电平时，开通二极管D1导通，开通瞬间通过开通加速电容单元C1提供足够大的栅极驱动峰值电流加速 Cascode型GaN门极的充电过程，加速了开关的开通速度；当门极的电压上升至弥勒平台电压时，开通加速电容单元C1关断，通过开通栅极电阻单元R1提供稳定的门极驱动电流，此时的门极驱动电流减小，有利于抑制Cascode型GaN漏源极的电压和电流的振荡与过冲。当驱动芯片的输出端输出控制波为低电平时，关断二极管D2导通，通过关断加速电容单元C2提供低阻放电通道，加速了关断速度；当门极电压至弥勒平台电压时，门极的放电电流流经关断栅极电阻单元R2，此时门极放电电流有所减少，可以有效地抑制关断时的电压尖峰和电流振荡。本发明的驱动电路采用独立的门极开通和关断回路，可以根据Cascode型GaN的特性配置不同容值的开通加速电容单元 C1和关断加速电容单元C2，配置不同阻值的开通栅极电阻单元R1和关断栅极电阻单元R2，来满足开通和关断的不同阶段对门极驱动电流的要求，达到了既满足开关的快速性，又抑制了电压和电流的振荡和过冲。

具体实施例：

如图1所示，本发明的GaN功率器件的驱动电路包括：驱动芯片单元；与所述驱动芯片单元连接的开通控制单元，与所述驱动芯片单元连接的关断控制单元，与所述开通控制单元和关断控制单元连接的GaN功率器件。开通控制单元和关断控制单元并联连接，并且置于驱动芯片单元和GaN功率器件之间。

本发明通过将GaN驱动电路的开通和关断回路分离，来增加GaN驱动的可靠性。驱动芯片单元、开通控制单元和GaN功率器件构成开通驱动回路；驱动芯片单元、关断控制单元和GaN功率器件构成关断驱动回路。

开通控制单元，包含开通二极管D1、开通栅极电阻R1、开通加速电容C1；开通栅极电阻R1和开通加速电容C1并联后与所述开通二极管D1串联连接；利用开通二极管D1的单向导通性实现了GaN驱动开通回路和关断回路的分离。

关断控制单元，包含关断二极管D2、关断栅极电阻R2、关断加速电容C2；关断栅极电阻R2和关断加速电容C2并联后与所述关断二极管D2串联连接；利用关断二极管D2的单向导通性实现了GaN驱动开通回路和关断回路的分离。

GaN功率器件驱动电路在动态和稳态下需要提供不同强度的栅极电流。开关瞬态需要较高的动态电流，到达弥勒电压平台后，提供较小的较小的驱动电流。采用栅极电阻并联加速电容的方式可以为GaN功率器件提供不同的动态和稳态栅极电流。加速电容提供动态大充电电流，栅极电阻提供稳态低充电电流。

开通加速电容C1和关断加速电容C2的容值选取具有独立性，分别用来保证开通和关断过程都可以获得小的电流和电压尖峰与振荡。在开通过程中选择较小容值的加速电容，在加速开通过程的同时减小振荡和尖峰；在关断过程采用较大容值的并联电容，加速关断过程。

开通栅极电阻R1并联了开通加速电容C1，这提供了一个低阻抗通道，确保了在开通瞬间给GaN功率器件提供足够大的栅极驱动峰值电流，加速了GaN功率器件开通的速度。随着容值的增大，开通时间变短，但同时V_GS电压波形振幅和过冲会变大， I_DS的峰值电流变大。通过实验权衡开通时间和V_GS和I_DS振幅和过冲的大小，选择合适的开通加速电容C1。关断栅极电阻R2并联了关断加速电容C2，在关断瞬间提供了一个低阻放电通道，加速了GaN功率器件关断的速度。

在开通和关断过程中采用不同阻值的栅极电阻。开通过程中使用较大阻值的开通栅极电阻R1，减小开通过程中栅源电压V_GS和漏极电流I_DS的振幅和过冲。但是大阻值的开通栅极电阻会导致开通时间增加，开通损耗增加。通过实验权衡开通时间和V_GS和I_DS振幅和过冲的大小，选择合适的R1。关断过程中选择较小的栅极关断电阻R2，减小关断时间，减小关断损耗。

该电路的工作原理是：当驱动芯片的输出端输出控制波为高电平时，开通二极管D1导通，开通瞬间通过开通加速电容C1提供足够大的栅极驱动峰值电流，当门极电压到达弥勒平台电压后，通过开通栅极电阻R1提供的驱动电流，此时门极驱动电流减少，有利于抑制漏源极的电压尖峰和电流尖峰；当驱动芯片的输出端输出控制波为低电平时，关断二极管D2导通，通过关断加速电容C2提供低阻抗放电通道，加快关断过程；当门极电压下降至弥勒平台电压时，门极的放电电流流经关断栅极电阻R2，放电电流减少，可以有效抑制关断时的电压尖峰和电流振荡。

通过双脉冲测试验证在该电路下Cascode型GaN功率器件的开通和关断过程特性，该驱动电路的双脉冲测试半桥电路如图2所示。

测试条件：GaN功率器件型号是TP65H035WS；直流母线电压400V；驱动芯片输入信号为频率200kHz、占空比25％、高电平3.3V的方波；驱动电压16V，关断负压0V；电阻R1取值30Ω，电阻R2取值10Ω，电容C1取值650pF，电容C2取值5nF。

图3和图4为该电路下GaN功率器件开通和关断过程的波形与在传统的固定阻值的门极电阻的驱动电路下的对比。Vgs为栅源电压波形，Vds为漏源电压波形，Ids为漏极电流波形，Psw为开关损耗。可以看出，在关断过程中，采用本发明的驱动电路， GaN功率器件关断速度快，且漏源电压尖峰小，开关损耗小。在开通过程中，采用本驱动电路，漏极电流尖峰得到有效抑制，且开通开通时间较短，损耗较小，能够得到一个兼顾电流尖峰小，开通时间较短，且损耗较小的最优开关性能。

综上所述，本发明是一种Cascode型GaN功率器件的驱动电路，采用简单的电子元件和电路，通过模块化组合成为一种高可靠性、低损耗、快速开关的GaN功率器件的驱动电路。相比较于传统的驱动电路，本发明能够满足GaN功率器件在高频条件下的性能要求，其开通时间和关断时间小，开关损耗小，能够有效抑制开通、关断过程中的电压与电流的尖峰和振荡，保证了GaN功率器件高可靠的工作。

Claims (3)

1.一种Cascode型GaN功率器件的驱动电路，其特征在于包括驱动芯片单元、开通栅极电阻单元、开通加速电容单元、开通二极管D1、关断栅极电阻单元、关断加速电容单元和关断二极管D2；驱动芯片单元的GND连接GaN功率器件的S极，输出极通过两个并联电路即开通控制单元和关断控制单元与GaN功率器件的G极连接；所述开通控制单元是：开通二极管D1连接并联的开通栅极电阻单元和开通加速电容单元；所述关断控制单元是：关断二极管D2连接并联的关断栅极电阻单元和关断加速电容单元；所述开通二极管D1的正极与驱动芯片单元的输出端连接；所述关断二极管D2的正极与GaN功率器件的G极连接；所述开通加速电容单元包含一个或多个电容，加速电容容值选取GaN门极输入电容容值的二分之一；所述关断加速电容单元包含一个或多个电容，关断电容容值选取GaN门极输入电容容值的二倍；所述关断加速电容的容值大于4～5倍的开通加速电容的容值；所述开通电阻的阻值大于2倍的关断电阻的阻值。

2.根据权利要求1所述Cascode型GaN功率器件的驱动电路，其特征在于：所述开通加速电容的容值取值200～800pF。

3.根据权利要求1所述Cascode型GaN功率器件的驱动电路，其特征在于：所述开通电阻通常取值10～50Ω。