[發明專利]一種高頻硅基GaN單片集成PWM電路

有效

• 申請號: 202210033085.8
• 申請日: 2022-01-12
• 公開（公告）號: CN114374376B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 周琦;黨其亮;李明哲;楊文星;羅志華;鄧超;張波;郭新凱
• 申請（專利權）人: 電子科技大學;電子科技大學廣東電子信息工程研究院
• 主分類號: H03K7/08
• 分類號: H03K7/08
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

本發明公開了一種高頻硅基GaN單片集成PWM電路，基于P?GaN柵增強型GaN集成工藝平臺下的E?mode?GaN晶體管、2DEG電阻和MIM電容進行三級比較器等結構設計，并以此為基礎實現遲滯比較器、鋸齒波電路和整體PWM電路的設計。本發明基于增強型GaN晶體管進行三級比較器電路拓撲設計優化反饋回路，從而實現高魯棒性鋸齒波電路設計；PWM單片集成電路同時集成反饋電阻以及GaN?MIM電容，極大減小電路設計中的寄生效應，可更容易滿足PWM模塊方案的高頻需求。該電路方案不僅更易實現GaN功率芯片單片集成，而且可避免D?mode?N型溝道晶體管存在的柵極長期可靠性等問題。本發明提出的高頻硅基GaN單片集成PWM電路為未來實現更加緊湊的功率轉換解決方案提供基礎。

技術領域

本發明屬于GaN功率電子技術領域，具體涉及一種高頻硅基GaN單片集成PWM電路的設計。

背景技術

近年來，基于氮化鎵(Gallium?Nitride，GaN)材料的器件發展迅速，作為近20年興起的新一代半導體材料，具備很多性能的優勢。工作速度快、轉換效率高、功率密度大是GaNHEMT功率器件的核心性能優勢。因此，進一步提升GaN功率器件高頻、低功耗的特性是GaNHEMT功率器件技術下一階段發展的主要趨勢，也是GaN功率半導體技術未來獲得更廣泛應用、凸顯優勢的關鍵。經過多年發展，GaN功率器件應用愈發廣泛，大到汽車Lidar系統，小到消費類電子產品充電器。

目前GaN功率器件驅動方案主要有兩種，分別為共封式驅動方案和全GaN單片集成驅動方案。其中全GaN單片集成技術(All-GaN?single-chip?integration)將邏輯信號產生、驅動控制、功率變換、監測與保護等模塊進行單片集成，能夠最大限度降低芯片互聯寄生效應(信號干擾、互聯損耗、ESD等)，可以充分發揮GaN?HEMT高頻、高效的核心性能優勢。全GaN單片集成是GaN功率半導體技術的重要發展趨勢，是該領域當前最受關注的前沿熱點之一。然而，目前全GaN單片集成技術的研究還處于起步階段，無論是產業界還是學術界在電路設計上由于缺乏P型溝道晶體管(p-FET)而只能依賴于電子(2DEG)導電的N型溝道晶體管(n-HEMT)。但是基于成熟商用p-GaN?Gate?HEMT集成工藝平臺進行E/D-mode?HEMT同步集成時D-mode?N型溝道晶體管存在柵極長期可靠性等問題(刻蝕p-GaN層之后柵極界面缺陷)，因此目前商用GaN單片集成芯片均采用全E-mode集成方案。

目前針對全E-mode?GaN單片集成芯片的研究主要關注驅動調控方式、簡易驅動保護等驅動級模塊，并未考慮將前級PWM信號控制器等模塊同時進行單片集成。集成PWM信號產生控制模塊可以進一步減小芯片互聯寄生效應，同時縮小芯片占用面積，從而實現更加緊湊的GaN功率轉換集成方案。

發明內容

針對GaN功率系統對于全GaN集成電路的需要，本發明提出了一種高頻硅基GaN單片集成PWM電路。通過全增強型GaN門電路的設計，降低電路實施工藝難度。采用基于全GaN單片集成三級比較器的遲滯比較器及反饋回路產生鋸齒波信號，并經過比較輸出級調節波形及占空比。在GaN功率驅動系統中引入本發明提出的高頻硅基GaN單片集成PWM電路進行GaN功率管的柵極驅動控制，可以使GaN功率器件高頻、高功率密度的優勢得以充分發揮。

本發明的技術方案為：一種高頻硅基GaN單片集成PWM電路，包括由第一比較器CMP1、電阻Ri與反饋電阻R_FB構成的遲滯比較器，由第一電阻R1、第一晶體管E1與電容C構成的鋸齒波充放電單元，第二比較器CMP2；其中，

第一比較器CMP1的同相輸入端與電阻Ri、反饋電阻R_FB的一端連接，其反相輸入端接基準電壓，其輸出端與反饋電阻R_FB的另一端和第一晶體管E1的柵極連接；