[發(fā)明專利]一種抑制高頻GaN功率器件dv/dt串擾的多電平驅動電路

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• 申請日: 2022-04-21
• 公開（公告）號: CN114629333A
• 公開（公告）日: 2022-06-14
• 發(fā)明（設計）人: 陶明;王瀟男;周騫
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: H02M1/088
• 分類號: H02M1/088;H03K17/74
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明屬于電力電子器件的驅動技術領域，具體涉及一種抑制高頻GaN功率器件dv/dt串擾的多電平驅動電路，所述驅動電路包括驅動信號選通電路、負壓產生電路和比較器控制電路。所述驅動信號選通電路用于選通正負方波，以驅動GaN功率器件，所述負壓產生電路用于產生負電壓，以防止GaN功率器件關斷期間的誤導通，所述比較器控制電路用于實現(xiàn)中間電平鉗位，以防止GaN功率器件開通瞬間的反向擊穿。本發(fā)明中間電平箝位響應速度更快，使得GaN功率器件可安全工作在5MHz及以上開關頻率，充分發(fā)揮GaN功率器件高頻應用的優(yōu)勢；負壓產生電路結構簡單且具有更寬的工作頻率范圍，使其可驅動的開關管包括但不限于高頻GaN功率器件；同時具有降低驅動電路損耗的優(yōu)勢。

技術領域

本發(fā)明屬于電力電子器件的驅動技術領域，具體涉及一種抑制高頻GaN功率器件dv/dt串擾的多電平驅動電路。

背景技術

高頻GaN功率器件相比第一代半導體Si功率器件具有更小的寄生電容，這使得其開關損耗進一步降低，且開關頻率可達到MHz以上的級別，可有效降低磁性元件的體積，提高系統(tǒng)的變換效率和功率密度，因此被廣泛應用于消費快充、汽車電子等功率變換領域。

由于開關速度快，GaN功率器件漏源極之間的快速電壓變化(dv/dt)常伴隨在其直流高壓電路應用中，這種dv/dt現(xiàn)象會在GaN功率器件的柵極產生正向或負向串擾尖峰脈沖。此外，由于GaN材料具有較高的電子遷移率，所以GaN功率器件常應用在MHz以上級別的高頻開關場合。目前商用GaN功率器件的最小閾值電壓約為0.8～1.1V，最小柵極安全負壓僅為-4～-10V，開關頻率可達10MHz以上。因此在高開關頻率工況下，dv/dt正負串擾使高頻GaN功率器件在關斷過程中極易出現(xiàn)誤導通和反向擊穿等問題，進而影響系統(tǒng)的高效可靠工作。

在已有抑制dv/dt串擾的多電平驅動方案中，包括但不限于高頻GaN功率器件驅動，基本技術路徑主要包括：1)采用單個電源，多個控制信號，2)采用單個控制信號，多個電源(正電源、負電源和中間電平電源)，3)采用單個電源，單個控制信號。

采用單個電源，多個控制信號的技術思路是借助電容電荷泵產生負壓的原理，配合PWM控制信號產生驅動回路所需要的負電壓，該思路在多電平驅動中僅需單個電壓源，降低了設計成本，但輔助控制信號的引入增加了控制的復雜程度。采用單個控制信號，多個電源(正電源、負電源和中間電平電源)的技術思路是在高頻GaN功率器件關斷期間通過輔助電路控制PMOS管的通斷，從而實現(xiàn)中間電平鉗位，但多個電源的方式又增加了電路和板級設計的復雜程度及成本。采用單個電源，單個控制信號的技術思路是將上述兩種方案的優(yōu)勢相結合，不僅能夠抑制串擾同時電路設計簡單，但在用以產生鉗位中間電平控制信號的輔助電路中，通常采用的是RC延時電路的方案。

RC延時電路是利用電容充放電的電壓變化波形控制PMOS管的通斷，進而實現(xiàn)中間電平的鉗位。該電路雖然結構簡單，但RC電路的電壓變化緩慢，在已有方案中電平鉗位的響應時間最快為100ns左右。對于具有高頻開關優(yōu)勢的GaN功率器件來說，100ns的響應速度會導致其在5MHz(T/2＝100ns)及以上頻率的開關應用中，仍然存在因負電平不能被及時抬升至零電平附近，同時疊加負向尖峰脈沖造成高頻GaN功率器件被反向擊穿器件的風險。因此，采用RC延時電路產生中間電平鉗位控制信號的方案難以發(fā)揮GaN功率器件5MHz及以上頻率的高頻開關特性。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于克服上述方案3)多電平驅動中所存在的問題，提出了一種改進的、適用于GaN功率器件5MHz及以上開關頻率的多電平驅動電路。該電路不僅實現(xiàn)了方案3)單個電源和單個控制信號抑制dv/dt正負串擾的功能，而且借助低延遲的高速比較器產生用以控制PMOS管通斷的信號，實現(xiàn)了PMOS管更快的開通速度，使多電平驅動適用于高頻GaN功率器件在5MHz及以上頻率的開關應用中。此外，當該電路中的負壓產生電路配合本發(fā)明所述比較器控制電路時，可穩(wěn)定工作在更寬的工作頻率范圍內，使其可驅動的開關管包括但不限于高頻GaN功率器件，并具有降低驅動電路損耗的優(yōu)勢。