CN114499475B - 多级式GaN HEMT驱动电路及其工作方法 - Google Patents

多级式GaN HEMT驱动电路及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多级式GaN HEMT驱动电路及其工作方法，涉及GaN器件驱动技术领域，包括：驱动电源Vcc1、N型MOSFET Q1和P型MOSFET Q2串联而成的推挽电路、电阻R3和二极管D1串联而成的充放电回路；其中电源Vcc2、电阻R6串联为三极管上拉电路，构成二级电流补充电路，比较器Z1构成用于拓展电路的比较器电路；充放电回路用于提供可靠关断和常规电流，不仅能够保证氮化镓器件的开通关断速度，而且避免了电压尖峰的产生，抑制了关断时的电压振荡；比较器电路为电路的拓展留下了更多的可能性，结合数字控制电路可以根据需求调整二级电流补充电路的数量，继而改变电路的驱动能力，提供稳定驱动电压，保证GaN HEMT器件可靠的运行。

Description

多级式GaN HEMT驱动电路及其工作方法
技术领域
本发明涉及GaN器件驱动技术领域，具体是多级式GaN HEMT驱动电路及其工作方法。
背景技术
GaN器件在相同耐压下具有更小的导通电阻和栅极电荷，开关速度快、功率密度高；然而，由于GaN HEMT快关速度高以及线路杂散电感和寄生电容的存在，会在器件开通关断的瞬间产生较高的电压的尖峰，继而影响器件和电路拓扑的安全；常用的开通关断时电压尖峰抑制方法：1、增大栅源极电容值，即在器件栅源极并联电容用来抑制电压尖峰，但会导致开通和关断时间增加，栅源驱动电压减小；2、减小栅极电阻，通过减小电阻来降低串扰电压的干扰，但在会使器件关断时引发振荡。
例如：谐振驱动电路可以为GaN HEMT器件提供稳定的电压与此同时实现能量回馈，减小损耗，但是它的不足也非常的明显，采用的谐振电感数值达到nH级，在实际的应用中会受到布板、器件的寄生电感等其他杂散参数的影响，设计难度较高；且这种驱动方式的只在超高频时降低损耗明显，不能普遍适用；充放电回路分开的独立式驱动电路，上升时间较长，会极大的影响氮化镓器件的开关速度，驱动能力较弱，栅极无法获得预期的驱动电压，且在关断时的振铃大，容易引起GaN HEMT器件的误导通。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出多级式GaN HEMT驱动电路及其工作方法，不仅能够保证氮化镓器件的开通关断速度，而且避免了电压尖峰的产生，抑制了关断时的电压振荡。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例提出多级式GaN HEMT驱动电路，包括驱动电源Vcc1、N型MOSFET Q1和P型MOSFET Q2串联而成的推挽电路、电阻R3和二极管D1串联而成的充放电回路、电阻R4和电容C1；
其中电阻R4为充放电回路的限流电阻，电源Vcc3、三极管B1以及电阻R5串联，其中电源Vcc2、电阻R6串联为三极管上拉电路，构成二级电流补充电路，比较器Z1构成用于拓展电路的比较器电路；电容C1一端与GAN HEMT栅极相连，另一端与GAN HEMT源极相连。
进一步地，所述推挽电路：N型MOSFET Q1漏极与驱动电源Vcc1相连，源极与P型MOSFET Q2漏极相连，栅极与输入电阻R1相连；P型MOSFET Q2漏极与N型MOSFET Q1源极相连，栅极与输入电阻R2相连，源极接地。
进一步地，输入电阻R1与输入电阻R2并联，且输入电阻R1一端与外部PWM输入信号相连，另一端与N型MOSFET Q1的栅极相连；输入电阻R2一端与输入电阻R1并联，另一端与P型MOSFET Q2栅极相连。
进一步地，所述二级电流补充电路包括三极管B1、连接在三极管B1发射极和GaNHEMT源极的之间的电阻R5、连接在三极管B1基极和源VCC2之间的电阻R6以及连接在三极管B1集电极的电源VCC3；其中，三极管B1集电极与电源Vcc3相连，发射极与电阻R5相连，基极与电阻R6相连；电阻R5一端与三极管B1发射极相连，另一端与GAN HEMT栅极相连；电阻R6一端与三极管B1基极相连，另一端与电源Vcc2相连。
进一步地，电阻R4一端与电阻R3并联，另一端与GAN HEMT栅极相连；电阻R3一端与Q1、Q2连接处相连，另一端与二极管D1阴极相连接；二极管D1阳极与GAN HEMT栅极相连。
进一步地，所述比较器电路包括比较器Z1和电阻R6；其中比较器Z1负输入端与电阻R1、R2并联且与外部PWM输入信号相连，正输入端与参考电压Vref相连，输出端与电阻R6一端相连且与电源Vcc2相连。
进一步地，多级式GaN HEMT驱动电路的工作方法，应用于上述多级式GaN HEMT驱动电路，其中二级电流补充电路的工作方式：给定比较器Z1一个参考电压Vref，在器件开通阶段，当负输入端电压高于参考电压Vref，比较器输出高阻态，此时电源Vcc2和电阻R6提供上拉的电流使三极管B1开通，电源Vcc3通过三极管B1和电阻R5向电容C1、Cgs充电，当电容C1、Cgs两端电压接近电源Vcc2电压时，由于三极管的电压箝位作用，三极管B1关断，二级电流补充电路退出工作状态。
进一步地，比较器电路的工作方式：根据开关器件的实际情况选择二级电流补充电路的数量，当所需驱动能量大时，采用数字控制的方式给定比较器Z1的正输入端为低电平，使负输入端的驱动信号恒大于正输入端电压，比较器Z1持续输出高阻态，从而三极管B1正常工作，二级电流补充电路在器件开通时向C1、Cgs充电，增大电路驱动能力；当所需驱动能量小时，给定比较器Z1正输入端为高电平，使负输入端的驱动信号恒小于正输入端电压，比较器Z1输出低电平，将电源Vcc2拉至地，使三极管B1无法开通，二级电流补充电路从驱动电路上断开。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明能够避免开启时电压尖峰，减小关断时的电压振荡，仿真结果表明，能够避免开启时的电压尖峰，增大开启时的速度，增大驱动电压。
2、本发明引入两段驱动电路，弥补了为了抑制电压尖峰在栅源极并联电容造成的开通速度减小，驱动电压不足的问题。
3、本发明引入的比较器电路，为电路的拓展留下了更多的可能性，结合数字控制电路可以根据需求调整驱动电路的数量，继而改变电路的驱动能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明应用于反激电路的GaN HEMT驱动电路结构示意图。
图2为本发明在开始时一周期内的电压波形与开关波形图。
图3为本发明驱动电路仿真波形图。
图4为本发明GaN HEMT器件开通过程仿真波形图。
图5为不采用二级电流补充电路时的驱动电路仿真波形图。
图6为不采用二级电流补充电路时的GaN HEMT器件开通过程仿真波形图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图6所示，多级式GaN HEMT驱动电路，包括驱动电源Vcc1、N型MOSFET Q1和P型MOSFET Q2串联而成的推挽电路以及电阻R3和二极管D1串联而成的充放电回路；其中电阻R4为充放电回路的限流电阻，电源Vcc3、三极管B1以及电阻R5串联，其中电源Vcc2、电阻R6串联为三极管上拉电路，构成二级电流补充电路，比较器Z1构成用于拓展电路的比较器电路；电容C1一端与GAN HEMT栅极相连，另一端与GAN HEMT源极相连；
输入电阻R1与输入电阻R2并联，且输入电阻R1一端与外部PWM输入信号相连，另一端与N型MOSFET Q1的栅极相连；输入电阻R2一端与输入电阻R1并联，另一端与P型MOSFET Q2栅极相连；
电阻R4一端与电阻R3并联，另一端与GAN HEMT栅极相连；电阻R3一端与Q1、Q2连接处相连，另一端与二极管D1阴极相连接；二极管D1阳极与GAN HEMT栅极相连；
推挽电路：N型MOSFET Q1漏极与驱动电源Vcc1相连，源极与P型MOSFET Q2漏极相连，栅极与输入电阻R1相连；P型MOSFET Q2漏极与N型MOSFET Q1源极相连，栅极与输入电阻R2相连，源极接地；
二级电流补充电路包括三极管B1、连接在三极管B1发射极和GaN HEMT源极的之间的电阻R5、连接在三极管B1基极和源VCC2之间的电阻R6以及连接在三极管B1集电极的电源VCC3；其中，三极管B1集电极与电源Vcc3相连，发射极与电阻R5相连，基极与电阻R6相连；电阻R5一端与三极管B1发射极相连，另一端与GAN HEMT栅极相连；电阻R6一端与三极管B1基极相连，另一端与电源Vcc2相连；
用于拓展电路的比较器电路，包括比较器Z1和电阻R6；其中比较器Z1负输入端与电阻R1、R2并联且与外部PWM输入信号相连，正输入端与参考电压Vref相连，输出端与电阻R6一端相连且与电源Vcc2相连；
其中二级电流补充电路工作原理：给定比较器Z1一个参考电压Vref，在器件开通阶段，当负输入端电压高于参考电压Vref，比较器输出高阻态，此时电源Vcc2和电阻R6提供上拉的电流使三极管B1开通，电源Vcc3通过三极管B1和电阻R5向电容C1、Cg充电，当电容C1、Cgs两端电压接近电源Vcc2电压时(Vcc2-Vgs≈0.7V)，由于三极管的电压箝位作用，三极管B1关断，二级电流补充电路退出工作状态；
用于拓展电路的比较器电路的使用原理：根据开关器件的实际情况选择二级电流补充电路的数量，当所需驱动能量大时，可以采用数字控制的方式给定比较器Z1的正输入端为低电平，使负输入端的驱动信号恒大于正输入端电压，比较器Z1持续输出高阻态，从而三极管B1正常工作，二级电流补充电路在器件开通时向C1、Cgs充电，增大电路驱动能力。当所需驱动能量小时，给定比较器Z1正输入端为高电平，使负输入端的驱动信号恒小于正输入端电压，比较器Z1输出低电平，将电源Vcc2拉至地，使三极管B1无法开通，二级电流补充电路从驱动电路上断开；
图2给出本发明在一个周期内的驱动电压波形和开关波形，其中S1为推挽电路上桥臂驱动信号，S2为推挽电路下桥臂驱动信号，Vgs为栅源极电压波形即驱动电压波形。
在t0-t1时段，S1开通，S2关断，电流经Q1-R4分别向电容C1、Cgs充电使驱动电压上升到额定电压。
在t1-t2时段，S1、S2同时关断，器件栅源两端电压维持在额定驱动电压。
在t3时刻，S1关断，S2开通，电流经D1-R5-Q2和R3-Q2两条之路对C1、Cgs放电，大电容C1起到了抑制关断时电压振荡的作用。
在t3-t4时段，S2完全开通，S1完全关断C1、Cgs放电直至电压为0V，并保持。
在t4-t5时段，S1、S2均关断，栅源电压继续保持为0V。
在t5-t6时段，S1开通，S2完全关断，电流经Q1-R3和Vcc3-B1-R4分别向C1、Cgs充电，直至栅源电压上升接近Vcc2。
在t6时刻，由于三极管的箝位，用,补充电流支路Vcc3-B1-R4断开。
在t6-t7时段，电流经Q1-R3向C1、Cgs充电，直至栅源电压升至额定电压。
在本实施例中，二级电流补充电路可进行数量上的扩展，通过比较器扩展电路的选择作用，并结合数字控制***选定，可以根据开关器件驱动所需的实际电流的大小来进行调节，增加或者减少二级电流补充电路的数量。
在本实施例中，比较器电路可以用作反馈信号的接口，通过采集开关器件的实时状态，例如温度，对开关器件的工作情况进行预测，将反馈的信号作为控制二级电流补充电路通断的信号。
本发明的工作原理是：
多级式GaN HEMT驱动电路及其工作方法，在工作时，首先根据开关器件的实际情况选择二级电流补充电路的数量，当所需驱动能量大时，可以采用数字控制的方式给定比较器Z1的正输入端为低电平，使负输入端的驱动信号恒大于正输入端电压，比较器Z1持续输出高阻态，从而三极管B1正常工作，二级电流补充电路在器件开通时向C1、Cgs充电，增大电路驱动能力。当所需驱动能量小时，给定比较器Z1正输入端为高电平，使负输入端的驱动信号恒小于正输入端电压，比较器Z1输出低电平，将电源Vcc2拉至地，使三极管B1无法开通，二级电流补充电路从驱动电路上断开。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.多级式GaNHEMT驱动电路，其特征在于，包括驱动电源Vcc1、N型MOSFET Q1和P型MOSFETQ2串联而成的推挽电路、电阻R3和二极管D1串联而成的充放电回路、电阻R4以及电容C1；
其中电阻R4为充放电回路的限流电阻，电源Vcc3、三极管B1以及电阻R5串联，其中电源Vcc2、电阻R6串联为三极管上拉电路，构成二级电流补充电路；比较器Z1构成用于拓展电路的比较器电路；电容C1一端与GAN HEMT栅极相连，另一端与GAN HEMT源极相连；
其中，所述二级电流补充电路包括三极管B1、连接在三极管B1发射极和GaN HEMT源极的之间的电阻R5、连接在三极管B1基极和源VCC2之间的电阻R6以及连接在三极管B1集电极的电源VCC3；其中，三极管B1集电极与电源Vcc3相连，发射极与电阻R5相连，基极与电阻R6相连；电阻R5一端与三极管B1发射极相连，另一端与GAN HEMT栅极相连；电阻R6一端与三极管B1基极相连，另一端与电源Vcc2相连；
所述比较器电路包括比较器Z1和电阻R6；其中比较器Z1负输入端与电阻R1、R2并联且与外部PWM输入信号相连，正输入端与参考电压Vref相连，输出端与电阻R6一端相连且与电源Vcc2相连。
2.根据权利要求1所述的多级式GaN HEMT驱动电路，其特征在于，所述推挽电路：N型MOSFET Q1漏极与驱动电源Vcc1相连，源极与P型MOSFET Q2漏极相连，栅极与输入电阻R1相连；P型MOSFET Q2漏极与N型MOSFET Q1源极相连，栅极与输入电阻R2相连，源极接地。
3.根据权利要求2所述的多级式GaN HEMT驱动电路，其特征在于，输入电阻R1与输入电阻R2并联，且输入电阻R1一端与外部PWM输入信号相连，另一端与N型MOSFET Q1的栅极相连；输入电阻R2一端与输入电阻R1并联，另一端与P型MOSFET Q2栅极相连。
4.根据权利要求1所述的多级式GaN HEMT驱动电路，其特征在于，电阻R4一端与电阻R3并联，另一端与GANHEMT栅极相连；电阻R3一端与Q1、Q2连接处相连，另一端与二极管D1阴极相连接；二极管D1阳极与GAN HEMT栅极相连。
5.多级式GaN HEMT驱动电路的工作方法，应用于如权利要求1-4任一项 所述的多级式GaN HEMT驱动电路，其特征在于，其中，二级电流补充电路的工作方式为：给定比较器Z1一个参考电压Vref，在器件开通阶段，当负输入端电压高于参考电压Vref，比较器输出高阻态，此时电源Vcc2和电阻R6提供上拉的电流使三极管B1开通，电源Vcc3通过三极管B1和电阻R5向电容C1、Cgs充电；当电容C1、Cgs两端电压接近电源Vcc2电压时，由于三极管的电压箝位作用，三极管B1关断，二级电流补充电路退出工作状态。
6.根据权利要求5所述的多级式GaN HEMT驱动电路的工作方法，其特征在于，比较器电路的工作方式为：根据开关器件的实际情况选择二级电流补充电路的数量，当所需驱动能量大时，采用数字控制的方式给定比较器Z1的正输入端为低电平，使负输入端的驱动信号恒大于正输入端电压，比较器Z1持续输出高阻态，从而三极管B1正常工作，二级电流补充电路在器件开通时向C1、Cgs充电，增大电路驱动能力；当所需驱动能量小时，给定比较器Z1正输入端为高电平，使负输入端的驱动信号恒小于正输入端电压，比较器Z1输出低电平，将电源Vcc2拉至地，使三极管B1无法开通，二级电流补充电路从驱动电路上断开。
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