[發明專利]氮化鎵功率晶體管三電平驅動方法

有效

• 申請號: 201210071969.9
• 申請日: 2012-03-19
• 公開（公告）號: CN102611288A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 任小永;陳乾宏;阮新波
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02M1/088
• 分類號: H02M1/088
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 張立榮

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技術領域

本發明涉及一種適用于氮化鎵（Gallium?Nitride,?GaN）功率晶體管的三電平門極驅動方法，屬于半導體應用或電能變換領域。

背景技術

氮化鎵(Gallium?Nitride,?GaN)材料具有禁帶寬度寬、臨界擊穿電場強度大、飽和電子漂移速度高、介電常數小以及良好的化學穩定性等特點，特別是基于GaN的AlGaN/GaN結構具有更高的電子遷移率，使得GaN器件具有低的導通電阻、高的工作頻率，符合下一代開關電源變換器高頻率、高功率密度及高可靠性的要求。

由于氮化鎵功率晶體管的開關特性、驅動技術、損耗機制相比硅基MOSFET有顯著差異，如何實現對氮化鎵功率晶體管的驅動，對發揮其優勢、提高系統整體性能的作用舉足輕重。目前，硅基MOSFET的驅動方式可以歸納為PWM方式和諧振方式兩大類。其中，PWM驅動方式又可以分為集成式驅動和分立式驅動。集成式引起驅動結構簡單、可靠而被廣泛使用，尤其是對于互補開通的橋臂結構。

對于需要互補導通的橋臂結構，為了避免兩管直通造成對源的短路，通常兩個驅動信號之間留有一定死區時間，由于開關管上升下降時間隨工作條件不同而改變，因此死區時間的設置通常是考慮最惡劣的情況，即取最大值。集成驅動器中預設了死區時間，因其既可以實現高可靠開通又可有效避免橋臂直通而被廣泛采用。然而，傳統的PWM方式并沒有考慮到控制死區時間對于開關管的控制，對于互補導通的橋臂結構，控制死區時間由開關管的反向導通機制實現電流續流。氮化鎵功率晶體管由于沒有體二極管，反向導通機制與硅基MOSFET不同，其壓降也遠高于硅基MOSFET體二極管的壓降。這對于高頻工作的氮化鎵功率晶體管而言，若是沿用原有的PWM驅動方式，死區時間的導通損耗將成為效率提高的障礙。針對橋臂互補導通增強型氮化鎵功率晶體管結構，美國國家半導體(現德州儀器)2012年初剛剛推出一款集成的控制器LM5113，該控制器實際上還是基于傳統的PWM方式，不同的是把死區時間設置的問題推給了邏輯控制電路，并沒有從根本上解決死區時間反向導通的問題。另外，采用反并二極管的方式解決導通壓降的問題在頻率上升到兆赫茲級別時是不適用的。

針對硅基MOSFET的諧振式驅動是利用驅動回路的寄生電感或諧振電感與開關管結電容之間的諧振實現對開關管的驅動，通過對驅動能量進行回收降低驅動損耗。而諧振式驅動電路本身并非無損的，其之所以能降低損耗實際上是節省了邏輯電路驅動損耗與功率電路驅動損耗之間的功耗差。這對于Q_g比較大的硅基MOSFET而言效果很明顯，而氮化鎵功率晶體管的Q_g較小，諧振式驅動利用功耗差提高效率的效果不再明顯。另外，與PWM一樣，在用于橋臂結構驅動時，諧振式驅動并沒有考慮死區時間的控制。總之，現有驅動方案限制了氮化鎵功率晶體管的優勢，需要新的以充分發揮氮化鎵功率晶體管的優勢、回避其不足。

發明內容

本發明的目的是為了克服上述現有硅基MOSFET驅動方式直接應用到氮化鎵功率晶體管驅動的缺陷，設計一種有利于充分發揮氮化鎵功率晶體管優勢，彌補其特性上的不足，從而實現高頻、高效率變換的驅動方法。

本發明的目的是通過以下措施實現的：

一種氮化鎵功率晶體管的三電平驅動方法，其特征是：在氮化鎵功率晶體管需要反向導通機制工作時，在其驅動器的低端接一個低于開關管門檻電壓的中間電平Vx，由該中間電平Vx補償晶體管反向導通機制引起的柵漏極電壓Vgd，使源漏極壓降從Vth減小為Vth-Vx，晶體管反向導通壓降減小。

氮化鎵功率晶體管的三電平驅動電路包括：氮化鎵功率晶體管、驅動器和中間電平發生單元，該中間電平發生單元設有一個圖騰柱，該圖騰柱的輸入端接控制信號CON，輸出端接驅動器的低端，圖騰柱的低端接地，高端接電平Vx。

互補導通控制的橋臂結構中一個氮化鎵功率晶體管或兩個氮化鎵功率晶體管驅動采用三電平驅動。

在氮化鎵功率晶體管用作同步整流管反向導通時，驅動電路采用三電平驅動。

本發明的氮化鎵功率晶體管三電平驅動方式，在現有兩電平驅動方式的基礎上，針對反向導通機制帶來的導通壓降大的問題，提出在柵源極驅動信號的死區時間內預置一個低于門檻電壓的電平。該電平的引入可以補償反向導通機制帶來的柵漏極電壓，從而減小源漏極在反向導通機制工作時電壓降，最終降低反向導通功耗，提高變換器的效率。