CN114374376B - 一种高频硅基GaN单片集成PWM电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高频硅基GaN单片集成PWM电路，基于P‑GaN栅增强型GaN集成工艺平台下的E‑mode GaN晶体管、2DEG电阻和MIM电容进行三级比较器等结构设计，并以此为基础实现迟滞比较器、锯齿波电路和整体PWM电路的设计。本发明基于增强型GaN晶体管进行三级比较器电路拓扑设计优化反馈回路，从而实现高鲁棒性锯齿波电路设计；PWM单片集成电路同时集成反馈电阻以及GaN MIM电容，极大减小电路设计中的寄生效应，可更容易满足PWM模块方案的高频需求。该电路方案不仅更易实现GaN功率芯片单片集成，而且可避免D‑mode N型沟道晶体管存在的栅极长期可靠性等问题。本发明提出的高频硅基GaN单片集成PWM电路为未来实现更加紧凑的功率转换解决方案提供基础。
Description
技术领域
本发明属于GaN功率电子技术领域，具体涉及一种高频硅基GaN单片集成PWM电路的设计。
背景技术
近年来，基于氮化镓(Gallium Nitride，GaN)材料的器件发展迅速，作为近20年兴起的新一代半导体材料，具备很多性能的优势。工作速度快、转换效率高、功率密度大是GaNHEMT功率器件的核心性能优势。因此，进一步提升GaN功率器件高频、低功耗的特性是GaNHEMT功率器件技术下一阶段发展的主要趋势，也是GaN功率半导体技术未来获得更广泛应用、凸显优势的关键。经过多年发展，GaN功率器件应用愈发广泛，大到汽车Lidar***，小到消费类电子产品充电器。
目前GaN功率器件驱动方案主要有两种，分别为共封式驱动方案和全GaN单片集成驱动方案。其中全GaN单片集成技术(All-GaN single-chip integration)将逻辑信号产生、驱动控制、功率变换、监测与保护等模块进行单片集成，能够最大限度降低芯片互联寄生效应(信号干扰、互联损耗、ESD等)，可以充分发挥GaN HEMT高频、高效的核心性能优势。全GaN单片集成是GaN功率半导体技术的重要发展趋势，是该领域当前最受关注的前沿热点之一。然而，目前全GaN单片集成技术的研究还处于起步阶段，无论是产业界还是学术界在电路设计上由于缺乏P型沟道晶体管(p-FET)而只能依赖于电子(2DEG)导电的N型沟道晶体管(n-HEMT)。但是基于成熟商用p-GaN Gate HEMT集成工艺平台进行E/D-mode HEMT同步集成时D-mode N型沟道晶体管存在栅极长期可靠性等问题(刻蚀p-GaN层之后栅极界面缺陷)，因此目前商用GaN单片集成芯片均采用全E-mode集成方案。
目前针对全E-mode GaN单片集成芯片的研究主要关注驱动调控方式、简易驱动保护等驱动级模块，并未考虑将前级PWM信号控制器等模块同时进行单片集成。集成PWM信号产生控制模块可以进一步减小芯片互联寄生效应，同时缩小芯片占用面积，从而实现更加紧凑的GaN功率转换集成方案。
发明内容
针对GaN功率***对于全GaN集成电路的需要，本发明提出了一种高频硅基GaN单片集成PWM电路。通过全增强型GaN门电路的设计，降低电路实施工艺难度。采用基于全GaN单片集成三级比较器的迟滞比较器及反馈回路产生锯齿波信号，并经过比较输出级调节波形及占空比。在GaN功率驱动***中引入本发明提出的高频硅基GaN单片集成PWM电路进行GaN功率管的栅极驱动控制，可以使GaN功率器件高频、高功率密度的优势得以充分发挥。
本发明的技术方案为：一种高频硅基GaN单片集成PWM电路，包括由第一比较器CMP1、电阻Ri与反馈电阻RFB构成的迟滞比较器，由第一电阻R1、第一晶体管E1与电容C构成的锯齿波充放电单元，第二比较器CMP2；其中，
第一比较器CMP1的同相输入端与电阻Ri、反馈电阻RFB的一端连接，其反相输入端接基准电压，其输出端与反馈电阻RFB的另一端和第一晶体管E1的栅极连接；
第一电阻R1的一端与5V高电平VDD连接，第一电阻R1的另一端与第一晶体管E1的漏极、第二比较器CMP2的同相输入端、电容C的上极板连接；第一晶体管E1的源极接地；电容C的下极板接地，第二比较器CMP2的反相输入端接偏置电压，其输出端输出PWM信号。
作为优选方式，第一比较器CMP1包含第二晶体管E2、第三晶体管E3、第四晶体管E4、第五晶体管E5、第六晶体管E6、第七晶体管E7、第八晶体管E8、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7；第二电阻R2的一端与高电平VDD连接，第二电阻R2的另一端与第二晶体管E2的漏极、第二晶体管E2的栅极和第四晶体管E4的栅极连接，第二晶体管E2的源极接地，第四晶体管E4的源极接地；第三电阻R3、第四电阻R4及第七电阻R7的一端均与高电平VDD连接，第三电阻R3的另一端与第三晶体管E3的漏极、第六电阻R6的一端连接；第四电阻R4的另一端与第五晶体管E5的漏极、第五电阻R5的一端连接；第三晶体管E3的栅极为第一比较器CMP1的同向输入端，第五晶体管E5的栅极为第一比较器CMP1的反向输入端；第三晶体管E3的源极、第五晶体管E5的源极与第四晶体管E4的漏极连接；第五电阻R5的另一端与第六晶体管E6的漏极、第六晶体管E6的栅极、第七晶体管E7的栅极连接，第六晶体管E6、第七晶体管E7和第八晶体管E8的源极接地；第六电阻R6的另一端与第七晶体管E7的漏极、第八晶体管E8的栅极连接；第七电阻R7的另一端与第八晶体管E8的漏极同为第一比较器CMP1的输出端。
作为优选方式，8个晶体管E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7和E8均为增强型GaN晶体管。
作为优选方式，第二比较器CMP2包含第九晶体管E9、第十晶体管E10、第十一晶体管E11、第十二晶体管E12、第十三晶体管E13、第十四晶体管E14、第十五晶体管E15、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11和第十二电阻R12；第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12的一端和第九晶体管E9的栅极均接高电平VDD，第十晶体管E10、第十二晶体管E12、第十四晶体管E14和第十五晶体管E15的源极均接地；第八电阻R8的另一端与第九晶体管E9的漏极连接，第九晶体管E9的源极与第十晶体管E10的漏极、第十晶体管E10的栅极和第十二晶体管E12的栅极连接；第九电阻R9的另一端与第十一晶体管E11的漏极连接，第十电阻R10的另一端与第十三晶体管E13的漏极和第十四晶体管E14的栅极连接，第十一晶体管E11的源极、第十三晶体管E13的源极同第十二晶体管E12的漏极连接；第十一晶体管E11的栅极为第二比较器CMP2的同向输入端，第十三晶体管E13的栅极为第二比较器CMP2的反向输入端；第十一电阻R11的另一端与第十四晶体管E14的漏极和第十五晶体管E15的栅极连接，第十二电阻R12的另一端和第十五晶体管E15的漏极同为第二比较器CMP2的输出端。
作为优选方式，7个晶体管E9、E10、E11、E12、E13、E14和E15均为增强型GaN晶体管。
本发明的方案中，所有晶体管、电阻、电容分别为P-GaN栅增强型GaN集成工艺平台下的增强型GaN晶体管、2DEG电阻、MIM电容。
本发明的有益效果是：
采用P-GaN栅增强型GaN晶体管电路实现方案更容易实施单片集成级GaN功率芯片，同时可避免D-mode N型沟道晶体管存在栅极长期可靠性等问题。基于增强型GaN晶体管进行三级比较器电路拓扑设计优化反馈回路，从而实现高鲁棒性锯齿波设计；本发明单片集成包括反馈电阻以及GaN MIM电容，极大减小电路设计中的寄生效应，可更容易实现高频PWM模块方案。高频硅基GaN单片集成PWM电路为未来实现更加紧凑的功率转换解决方案提供基础。
附图说明
图1所示为本发明提出的一种高频硅基GaN单片集成PWM电路应用于GaN功率***的拓扑结构图；
图2所示为研制本发明提出的一种高频硅基GaN单片集成PWM电路的P-GaN栅全增强型GaN集成工艺平台；
图3所示为本发明提出的一种高频硅基GaN单片集成PWM电路锯齿波及调制PWM波形示意图；
图4所示为本发明提出的一种高频硅基GaN单片集成PWM电路中三级比较器电路结构示意图；
图5所示为本发明提出的一种高频硅基GaN单片集成PWM电路中比较输出级电路结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图来详细描述本发明的示例性实施方式。
本发明提出的一种高频硅基GaN单片集成PWM电路，如图1所示，包括由第一比较器CMP1和电阻Ri与反馈电阻RFB构成的迟滞比较器、由第一电阻R1和第一晶体管E1与电容C构成的锯齿波充放电单元、比较输出级CMP2。具体电路结构已在发明内容部分作了详细阐述，此处不再赘述。
如图2所示，电路中所有晶体管、电阻、电容分别为P-GaN栅增强型GaN集成工艺平台下的增强型GaN晶体管、2DEG电阻、MIM电容。
下面结合附图对本发明实施硅基GaN单片集成PWM电路的工作原理及过程作详细介绍：
如图4所示，第一比较器CMP1包含7个晶体管E2、E3、E4、E5、E6、E7和E8，六个电阻R2、R3、R4、R5、R6和R7。其中，R2、E2和E4构成电流镜结构为比较器尾管E4提供偏置电流。R3、R4、E3、E4和E5组成三级比较器CMP1的第一级(差分比较输入级)，其中R3和R4为负载电阻，E3和E5为差分输入管。R5、R6、E6和E7构成的电流镜作为三级比较器CMP1的中间级；R7和E8构成三级比较器CMP1的第三级。采用电流镜作为中间级的三级比较器具有很大的输出高低电平翻转速率且本身增益带宽积较大，从而使得PWM电路的正反馈更加稳定且可以实现高频波形的产生。
如图5所示，比较器输出级包含7个晶体管E9、E10、E11、E12、E13、E14和E15，5个电阻R8、R9、R10、R11和R12。其中电阻R9、R10和晶体管E11、E13以及E12构成比较器，E11和E13为比较器差分输入对管；晶体管E9、E10和电阻R8构成简单电压基准为比较器尾部晶体管E12提供偏置电压。电阻R11、R12和晶体管E14、E15构成两个级联反相器，对前级比较器输出信号进行波形处理，从而达到输出方波波形满幅输出。
如图1所示，锯齿形发生器是由迟滞比较器和充电单元组成的电路模块。锯齿信号通过电容器C充放电产生，而该周期性重复过程的控制信号由迟滞比较器提供。Saw节点电压的一个完整周期包括两个阶段，即上升阶段和下降阶段。在上升过程中，GaN晶体管E1关闭，电容C通过提供的充电电流充电，直到Saw节点电压达到迟滞比较器的高开关阈值(VTH)，此时比较器切换到逻辑高输出状态并使得晶体管E1开启。因此，电容C通过E1进行电流放电，Saw节点电压开始下降。当Saw节点电压达到低开关阈值时，降压阶段结，并重复上述充放电过程。充放电过程所产生的锯齿波信号频率由电容C决定，锯齿波信号经过比较输出级CMP2转化为满幅输出方波信号，且其占空比由比较器参考电压Vduty决定。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种高频硅基GaN单片集成PWM电路，其特征在于，包括由第一比较器CMP1、第二电阻Ri与反馈电阻RFB构成的迟滞比较器，由第一电阻R1、第一晶体管E1与电容C构成的锯齿波充放电单元，第二比较器CMP2；其中，
第一比较器CMP1的同相输入端与第二电阻Ri、反馈电阻RFB的一端连接，其反相输入端接基准电压，其输出端与反馈电阻RFB的另一端和第一晶体管E1的栅极连接；
第一电阻R1的一端与5V高电平VDD连接，第一电阻R1的另一端与第一晶体管E1的漏极、第二比较器CMP2的同相输入端、电容C的上极板以及第二电阻Ri的另一端连接；第一晶体管E1的源极接地；电容C的下极板接地，第二比较器CMP2的反相输入端接偏置电压，其输出端输出PWM信号；
所述第一比较器CMP1包含第二晶体管E2、第三晶体管E3、第四晶体管E4、第五晶体管E5、第六晶体管E6、第七晶体管E7、第八晶体管E8、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7；其中，
第二电阻R2的一端与高电平VDD连接，第二电阻R2的另一端与第二晶体管E2的漏极、第二晶体管E2的栅极和第四晶体管E4的栅极连接，第二晶体管E2的源极接地，第四晶体管E4的源极接地；第三电阻R3、第四电阻R4及第七电阻R7的一端均与高电平VDD连接，第三电阻R3的另一端与第三晶体管E3的漏极、第六电阻R6的一端连接；第四电阻R4的另一端与第五晶体管E5的漏极、第五电阻R5的一端连接；第三晶体管E3的栅极为第一比较器CMP1的同向输入端，第五晶体管E5的栅极为第一比较器CMP1的反向输入端；第三晶体管E3的源极、第五晶体管E5的源极与第四晶体管E4的漏极连接；第五电阻R5的另一端与第六晶体管E6的漏极、第六晶体管E6的栅极、第七晶体管E7的栅极连接，第六晶体管E6、第七晶体管E7和第八晶体管E8的源极接地；第六电阻R6的另一端与第七晶体管E7的漏极、第八晶体管E8的栅极连接；第七电阻R7的另一端与第八晶体管E8的漏极同为第一比较器CMP1的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种高频硅基GaN单片集成PWM电路，其特征在于，所述第二比较器CMP2包含第九晶体管E9、第十晶体管E10、第十一晶体管E11、第十二晶体管E12、第十三晶体管E13、第十四晶体管E14、第十五晶体管E15、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11和第十二电阻R12；其中，
第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12的一端和第九晶体管E9的栅极均接高电平VDD，第十晶体管E10、第十二晶体管E12、第十四晶体管E14和第十五晶体管E15的源极均接地；第八电阻R8的另一端与第九晶体管E9的漏极连接，第九晶体管E9的源极与第十晶体管E10的漏极、第十晶体管E10的栅极和第十二晶体管E12的栅极连接；第九电阻R9的另一端与第十一晶体管E11的漏极连接，第十电阻R10的另一端与第十三晶体管E13的漏极和第十四晶体管E14的栅极连接，第十一晶体管E11的源极、第十三晶体管E13的源极同第十二晶体管E12的漏极连接；第十一晶体管E11的栅极为第二比较器CMP2的同向输入端，第十三晶体管E13的栅极为第二比较器CMP2的反向输入端；第十一电阻R11的另一端与第十四晶体管E14的漏极和第十五晶体管E15的栅极连接，第十二电阻R12的另一端和第十五晶体管E15的漏极同为第二比较器CMP2的输出端。
3.根据权利要求2所述的一种高频硅基GaN单片集成PWM电路，其特征在于，所述第一晶体管E1、第二晶体管E2、第三晶体管E3、第四晶体管E4、第五晶体管E5、第六晶体管E6、第七晶体管E7、第八晶体管E8、第九晶体管E9、第十晶体管E10、第十一晶体管E11、第十二晶体管E12、第十三晶体管E13、第十四晶体管E14和第十五晶体管E15均为增强型GaN晶体管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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