[發(fā)明專利]用于增強(qiáng)型GaN HEMT的高頻智能半橋柵驅(qū)動(dòng)電路

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010319721.4
• 申請(qǐng)日: 2020-04-21
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113541451B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-07-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周德金;黃偉;盧紅亮;張衛(wèi)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號(hào): H02M1/08
• 分類號(hào): H02M1/08;H02M1/088;H02M1/32;H02H7/12
• 代理公司: 上海德昭知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31204
• 代理人: 盧泓宇

本發(fā)明提供一種用于增強(qiáng)型GaN HEMT的高頻智能半橋柵驅(qū)動(dòng)電路，用于對(duì)外部輸入的低壓數(shù)字輸入信號(hào)HI和LI進(jìn)行處理并輸出高側(cè)輸出信號(hào)HO和低側(cè)輸出信號(hào)LO，其特征在于，包括：輸入接收電路、數(shù)控高精度死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生電路、低側(cè)數(shù)控延時(shí)電路、低側(cè)高效率輸出驅(qū)動(dòng)電路L、高側(cè)預(yù)驅(qū)動(dòng)電路、低延時(shí)高壓電平移位電路、高側(cè)高效率輸出驅(qū)動(dòng)電路H、柵壓鉗位電路、短路保護(hù)電路以及欠壓保護(hù)電路。其中，數(shù)控高精度死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生電路和低側(cè)數(shù)控延時(shí)電路內(nèi)部的延遲電路采用數(shù)字控制延時(shí)電路，柵壓鉗位電路具有第一PMOS晶體管M1L、第二PMOS晶體管M2L、NMOS晶體管M3L、比較器、鉗位反相器和2輸入或門。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于增強(qiáng)型GaN HEMT的高頻智能半橋柵驅(qū)動(dòng)電路。

背景技術(shù)

隨著超結(jié)金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)的出現(xiàn)和普及，特別是以碳化硅SiC和氮化鎵GaN為代表的寬禁帶功率半導(dǎo)體器件的興起，新一代電力電子應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功率半導(dǎo)體器件驅(qū)動(dòng)技術(shù)要求日益提高，這其中最核心的因素就是對(duì)功率半導(dǎo)體器件功能進(jìn)行控制的高壓柵驅(qū)動(dòng)芯片。新一代電力電子整機(jī)系統(tǒng)為了進(jìn)一步提高整機(jī)可靠性，并降低整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，對(duì)高壓柵驅(qū)動(dòng)芯片的智能化提出了更高的需求。

根據(jù)不同的柵極結(jié)構(gòu)，GaN器件可以分為兩類，耗盡型Ga N器件和增強(qiáng)型Ga N器件。GaN器件的特性決定了，該類器件在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)考慮時(shí)有一些需要特別注意的因素：如VTH低、VGS上限低、寄生參數(shù)對(duì)高di/dt和dv/dt敏感以及無(wú)反向?qū)ǘO管等問(wèn)題，很大程度上限制了Ga N器件在各種高頻功率拓?fù)渲械膽?yīng)用。

在諸多柵驅(qū)動(dòng)芯片中，半橋柵驅(qū)動(dòng)芯片是一種最常用的芯片架構(gòu)，現(xiàn)有的半橋柵驅(qū)動(dòng)芯片由高側(cè)和低側(cè)驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。通常高低側(cè)驅(qū)動(dòng)電路之間有高低壓隔離區(qū)，必須使用高壓電平移位電路將低壓輸入HI信號(hào)傳輸給高側(cè)輸出驅(qū)動(dòng)電路。現(xiàn)有技術(shù)中，高壓電平移位電路必須使用耐高壓的LDMOS來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，而高壓LDMOS存在很大的寄生電容，會(huì)嚴(yán)重限制高壓電平移位電路的信號(hào)處理速度，采用該技術(shù)的650V高側(cè)驅(qū)動(dòng)電路的速度通常被限制在200KHz以下，無(wú)法滿足以GaN和SiC為代表的寬禁帶功率器件超過(guò)MHz的處理速度要求。

此外，現(xiàn)有的半橋柵驅(qū)動(dòng)芯片當(dāng)被設(shè)計(jì)定型之后，其高/低側(cè)輸出控制信號(hào)的輸出驅(qū)動(dòng)能力將被固化。在實(shí)際應(yīng)用中，為防止輸出電流對(duì)負(fù)載功率開(kāi)關(guān)的柵極造成損壞，通常在高/低側(cè)輸出端串接一個(gè)電阻，以抑制柵極電壓過(guò)沖影響。串接保護(hù)電阻會(huì)帶來(lái)2個(gè)問(wèn)題，一是電阻上的開(kāi)關(guān)損壞變大，降低驅(qū)動(dòng)電路的效率；二是增加了驅(qū)動(dòng)延時(shí)，最終降低系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率。

GaN器件由于具有較小的CISS電容，交疊損耗下降，但開(kāi)關(guān)速度的提升使其在高壓大電流應(yīng)用下di/dt和dv/dt性能變差，功率驅(qū)動(dòng)級(jí)產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)問(wèn)題嚴(yán)重阻礙GaN電源模塊的系統(tǒng)集成。高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致較大的di/dt和dv/dt，從而將高頻EMI噪聲引入，這會(huì)在關(guān)鍵的安全系統(tǒng)中產(chǎn)生不必要的噪聲甚至故障。這些寄生效應(yīng)所產(chǎn)生的電流和電壓尖峰，可能會(huì)導(dǎo)致GaN器件損壞或者導(dǎo)致相關(guān)的低壓邏輯電路損壞。

雖然Ga N器件沒(méi)有體二極管，但有其獨(dú)特的反向?qū)C(jī)理，其反向?qū)妷焊哂赟i MOSFET。這種特性使其在某些功率轉(zhuǎn)換電路中(例如死區(qū)時(shí)間內(nèi))導(dǎo)致更高的導(dǎo)通損耗。隨著死區(qū)時(shí)間的增大，系統(tǒng)的功率損失和轉(zhuǎn)換效率都會(huì)退化，在高頻情況下會(huì)更加嚴(yán)重。同時(shí)，當(dāng)采用負(fù)壓關(guān)斷的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)耗盡型Ga N器件的驅(qū)動(dòng)時(shí)，關(guān)斷電壓會(huì)疊加在死區(qū)時(shí)間的負(fù)壓上，進(jìn)一步增加死區(qū)時(shí)間的損耗。

發(fā)明內(nèi)容

為解決上述問(wèn)題，提供一種用于增強(qiáng)型GaN HEMT的高頻智能半橋柵驅(qū)動(dòng)電路，可以減小電平移位電路的延遲，提高整體驅(qū)動(dòng)電路速度同時(shí)降低電路功耗，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：