一種用于GaN功率器件的驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的說是涉及一種用于GaN功率器件的驅(qū)動(dòng)電路。本發(fā)明的一種用于GaN功率器件的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，包括高通道驅(qū)動(dòng)模塊、低通道驅(qū)動(dòng)模塊、GaN?FET管Q1、Q2；高通道驅(qū)動(dòng)模塊采用高通道電源電壓HB和高通道地電位HS，輸出端與Q1的柵極連接，低通道驅(qū)動(dòng)模塊采用電源電壓VDD和地電位VSS，輸出端與Q2的柵極連接；GaN?FET管Q1的漏極連接外部電壓VIN、源極與Q2的漏極連接。本發(fā)明的有益效果為，有效防止自舉電容兩端電壓超過GaN?FETs的柵源最大限制電壓，克服了由GaN?FETs無體二極管而導(dǎo)致在死區(qū)時(shí)間內(nèi)自舉電路過度充電，造成高端FET易受損的問題。本發(fā)明尤其適用于GaN功率器件的驅(qū)動(dòng)電路。
【專利說明】—種用于GaN功率器件的驅(qū)動(dòng)電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及集成電路【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的說是涉及一種用于GaN功率器件的驅(qū)動(dòng)電路。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)能效的愈發(fā)重視對(duì)高性能低成本電子產(chǎn)品的追求，今后功率電子領(lǐng)域?qū)ζ骷酥料到y(tǒng)效率、性能、成本的考慮將會(huì)貫穿功率半導(dǎo)體從研發(fā)到生產(chǎn)的整個(gè)過程。毫無疑問，GaN器件及其功率系統(tǒng)將憑借材料特性優(yōu)勢(shì)滿足未來功率電子對(duì)高功率、低損耗、高速、高可靠性等方面的性能要求。
[0003]GaN FETs與Si MOSFET相比主要有以下特點(diǎn):在同樣的耐壓下導(dǎo)通電阻和器件體積??；開關(guān)速度快；電流密度大，功率密度高。GaN FETs的這些特點(diǎn)保證了 GaN FETs在未來功率電子應(yīng)用領(lǐng)域具有非常廣闊的前景與市場(chǎng)。但是也存在一些需要特別注意的因素:閾值電壓低；柵源電壓上限Ves_低；可反向?qū)ā?br> [0004]上述需特別考慮的因素在驅(qū)動(dòng)GaN器件時(shí)會(huì)帶來一些問題:低的閾值電壓:在實(shí)際電路中柵極驅(qū)動(dòng)路徑上會(huì)存在漏電感以及柵電容，這些寄生因素在開關(guān)瞬態(tài)會(huì)引起振蕩，一些小幅度的電壓上升通常會(huì)被柵極檢測(cè)到，最終導(dǎo)致誤開啟甚至穿通；最常用到的柵驅(qū)動(dòng)電路是推拉輸出結(jié)構(gòu)，如圖1所示，利用P型FET作為高端，N型FET作為低端。當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET時(shí)，通常將一個(gè)二極管并聯(lián)在柵極電阻上來控制開啟速度而不影響關(guān)斷速度。但是此電路不能用于驅(qū)動(dòng)GaN器件，因?yàn)槎O管的正向壓降可能會(huì)大于閾值電壓的最小值，阻斷GaN FET的關(guān)斷；由于雜散電感的存在，它與寄生的電容在柵極會(huì)引起較大的噪聲電壓，導(dǎo)致誤開啟。柵源電壓上限Ves_低:適用于MOSFET驅(qū)動(dòng)的普通偏置不能被直接使用，否則極易導(dǎo)致柵極的損壞。可反向?qū)?GaN FETs無體二極管，其反向?qū)ㄌ匦钥山鉀Q體二極管續(xù)流的問題。反向?qū)▔航礦sd與電流大小成正比。如圖2所示，在死區(qū)時(shí)間，自舉電容兩端的電壓:
[0005]Vboot = VDD_VF+Vsd—Q2。Vf為二極管壓降，Vdd通常為5V，由于Vsd e2隨著負(fù)載電流的增大而迅速增大，使得Vbwt的值會(huì)很快上升甚至超出最大電壓，導(dǎo)致高端FET柵極受損。因此，目前傳統(tǒng)的用于MOS功率器件的驅(qū)動(dòng)電路并不適用于GaN功率器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的，就是針對(duì)上述的問題，提出一種用于GaN功率器件的驅(qū)動(dòng)電路。
[0007]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種用于GaN功率器件的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，包括高通道驅(qū)動(dòng)模塊、低通道驅(qū)動(dòng)模塊、GaN FET管Ql、Q2 ;高通道驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端連接外部信號(hào)HI，低通道驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端連接外部信號(hào)LI，所述HI和LI為互補(bǔ)方波信號(hào)；高通道驅(qū)動(dòng)模塊采用高通道電源電壓HB和高通道地電位HS，輸出端與Ql的柵極連接，低通道驅(qū)動(dòng)模塊采用電源電壓VDD和地電位VSS，輸出端與Q2的柵極連接；GaNFET管Ql的漏極連接外部電壓VIN、源極與Q2的漏極連接；其中，高通道驅(qū)動(dòng)模塊和低通道驅(qū)動(dòng)模塊為相互獨(dú)立控制，分別傳輸高、低端的GaN FET控制信號(hào)；其中，
[0008]如圖3所示，高通道驅(qū)動(dòng)模塊包括電容電壓鉗位模塊、電壓轉(zhuǎn)移模塊、自舉充電模塊、高通道欠壓鎖定模塊、高通道控制信號(hào)輸入模塊、高通道電平移位模塊、高通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊、PMOS管MPl和NMOS管MNl ;高通道控制信號(hào)輸入模塊的一個(gè)輸入端接外部信號(hào)HI，其輸出端接高通道電平位移模塊的一個(gè)輸入端；高通道電平移位模塊的另一個(gè)輸入端接自舉充電模塊的一個(gè)輸出端，其輸出端接高通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的一個(gè)輸入端；自舉充電模塊的一個(gè)輸入端依次通過電壓轉(zhuǎn)移模塊和電壓鉗位模塊接高通道電源電壓HB，其另一個(gè)輸出端接高通道電源電壓HB并通過高通道欠壓鎖定模塊接高通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的另一個(gè)輸入端；高通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端接MPl和MNl的柵極，其電源輸入端接高通道電源電壓HB，其地電位端接高通道地電位HB ；MP1的源極接高通道電源電壓HB，其漏極通過Rl接Ql柵極；麗1的漏極接Ql的柵極，其源極接高通道地電位HS ；C1的一端接高通道電源電壓HB，另一端接高通道地電位HS ；
[0009]低通道驅(qū)動(dòng)模塊包括低通道欠壓鎖定模塊、低通道控制信號(hào)輸入模塊、低通道電平移位模塊、低通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊、PMOS管MP2和NMOS管MN2 ;低通道控制信號(hào)輸入模塊的輸入端接外部信號(hào)LI，其輸出端通過低通道電平移位模塊接低通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的一個(gè)輸入端；低通道欠壓鎖定模塊的輸入端接電源電壓VDD，其輸出端接高通道控制信號(hào)輸入模塊的另一個(gè)輸入端、自舉充電模塊的另一個(gè)輸入端和低通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的另一個(gè)輸入端；低通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的電源輸入端接電源電壓VDD，其地電位端接地電位VSS，其輸出端接MP2和麗2的柵極；MP2的源極接電源電壓VDD，其漏極通過R2接Q2的柵極；麗2的漏極接Q2的柵極，其源極接地電位VSS。。
[0010]本發(fā)明的有益效果為，采用兩條獨(dú)立的高、低通道，來傳輸高、低端GaN FET開關(guān)的控制信號(hào)，兩條通道可以單獨(dú)進(jìn)行控制，使通道傳輸延時(shí)匹配在2ns以內(nèi)，從而可以根據(jù)應(yīng)用準(zhǔn)確的控制死區(qū)時(shí)間，減小高頻下系統(tǒng)的功耗；通過采用高端柵極鉗位技術(shù)，防止自舉電容兩端電壓超過GaN FETs的柵源最大限制電壓，且克服了由GaN FETs無體二極管而導(dǎo)致在死區(qū)時(shí)間內(nèi)自舉電路過度充電，造成高端FET易受損的難題；另外，還采用集成二極管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全集成控制電路。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是傳統(tǒng)的MOSFET柵驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2是自舉技術(shù)驅(qū)動(dòng)聞端FET的電路結(jié)構(gòu)不意圖；
[0013]圖3是本發(fā)明的用于GaN功率器件的驅(qū)動(dòng)電路的電路示意圖；
[0014]圖4是GaN柵驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0016]根據(jù)GaN FETs的特點(diǎn)，基于傳統(tǒng)的半橋驅(qū)動(dòng)原理，本發(fā)明提出了一種適用于GaN FETs的全集成半橋驅(qū)動(dòng)電路,具體電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括自舉電容電壓鉗位模塊CLAMP、電壓轉(zhuǎn)移模塊LEVEL_D0WN、自舉充電模塊BOOT、高通道欠壓鎖定模塊UVL0_HS、高通道控制信號(hào)輸入模塊HIN、高通道電平移位模塊LEVEL_UPHS、高通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊DRIVER_HS、低通道欠壓鎖定模塊UVLO、低通道控制信號(hào)輸入模塊LIN、低通道電平移位模塊 LEVEL_UPLS、低通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊 DRIVER_LS，PMOS 管 MP1、MP2，NMOS 管 MN1、MN2，GaNFET管％、Q2，電阻Rp R2，電容C。C2 ;其中，
[0017]高通道控制信號(hào)輸入模塊的一個(gè)輸入端接外部信號(hào)HI，輸出端接高通道電平位移模塊的一個(gè)輸入端；高通道電平移位模塊的另一個(gè)輸入端接自舉充電模塊的一個(gè)輸出端，其輸出端接高通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的一個(gè)輸入端；自舉充電模塊的一個(gè)輸入端依次通過電壓轉(zhuǎn)移模塊和電壓鉗位模塊接高通道電源電壓HB，其另一個(gè)輸出端接高通道電源電壓HB并通過高通道欠壓鎖定模塊接高通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的另一個(gè)輸入端；高通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端接MPl和MNl的柵極，其電源輸入端接高通道電源電壓HB，其地電位端接高通道地電位HB ；MP1的源極接高通道電源電壓HB，其漏極通過Rl接Ql柵極；麗1的漏極接Ql的柵極，其源極接高通道地電位HS ；C1的一端接高通道電源電壓HB，另一端接高通道地電位HS ；
[0018] 低通道控制信號(hào)輸入模塊的輸入端接外部信號(hào)LI，其輸出端通過低通道電平移位模塊接低通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的一個(gè)輸入端；低通道欠壓鎖定模塊的輸入端接電源電壓VDD，其輸出端接高通道控制信號(hào)輸入模塊的另一個(gè)輸入端、自舉充電模塊的另一個(gè)輸入端和低通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的另一個(gè)輸入端；低通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的電源輸入端接電源電壓VDD，其地電位端接地電位VSS，其輸出端接MP2和麗2的柵極；MP2的源極接電源電壓VDD，其漏極通過R2接Q2的柵極；麗2的漏極接Q2的柵極，其源極接地電位VSS。
[0019]本發(fā)明的工作原理為:
[0020]當(dāng)GaN驅(qū)動(dòng)電路工作于高頻時(shí)，死區(qū)時(shí)間內(nèi)GaN FETs反向?qū)óa(chǎn)生的功率損耗將會(huì)成為系統(tǒng)功耗的主要來源。如圖3所示，本發(fā)明采用兩條相互獨(dú)立的高、低通道，來傳輸高、低端GaN FET的控制信號(hào)，兩條通道可以單獨(dú)進(jìn)行控制，且通道傳輸延時(shí)匹配在2ns以內(nèi)，從而可以根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用來準(zhǔn)確控制死區(qū)時(shí)間，減小高頻工作下的系統(tǒng)功耗。
[0021]針對(duì)GaN FETs的低閾值電壓特性，本發(fā)明中GaN FET柵極采用分離的充放電路徑，如圖4所示，并通過版圖上的優(yōu)化設(shè)計(jì)來減小雜散電容、驅(qū)動(dòng)電阻，避免柵極的噪聲電壓，從而避免在開關(guān)瞬態(tài)引起GaN FET誤開啟。
[0022]本發(fā)明將自舉二極管集成在芯片內(nèi)部，置于自舉充電模塊BOOT中，實(shí)現(xiàn)全集成控制電路。
[0023]針對(duì)GaN FETs存在柵源電壓上限Ves(MAX)，本發(fā)明采用高端柵極鉗位技術(shù)，如圖3所示，電壓鉗位模塊CLAMP將自舉電容C1兩端的電壓鉗位在一定電壓，之后通過LEVEL_D0WN模塊，將浮動(dòng)電源軌上的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)移為低電源軌電壓信號(hào)，輸出信號(hào)與UVLO信號(hào)同時(shí)輸入至自舉充電模塊Β00Τ，控制自舉二極管的充放電。在自舉電路中進(jìn)行鉗位設(shè)計(jì)，可保證Ves低于柵源電壓上限Ves(MAX)，且確保自舉電容仏兩端的電壓不會(huì)超過柵源電壓上限，防止高端FET因在死區(qū)時(shí)間內(nèi)自舉電容過度充電導(dǎo)致的損壞。此外，由于寄生電感與電容的存在，開啟驅(qū)動(dòng)過程中的充電階段，可能會(huì)引起一個(gè)欠阻尼震蕩，從而引起過沖，導(dǎo)致GaN FET損壞，所以可通過限制充電速度的方法，及串聯(lián)電阻在充電支路，從而得到克服。
[0024]外部方波信號(hào)H1、LI分別經(jīng)過控制信號(hào)輸入模塊HIN、LIN，其輸出信號(hào)作為控制信號(hào)連接至電平移位模塊LEVEL_UPHS、LEVEL_UPLS,把低電源軌上的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為浮動(dòng)電源軌上的控制信號(hào)，控制功率管驅(qū)動(dòng)電路DRIVER_HS、DRIVER_LS,分別為高端、低端功率管提供柵驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)高、低端GaN FET0
[0025]本發(fā)明中高電源軌上采用浮動(dòng)欠壓技術(shù)，設(shè)定高通道電源電壓HB的開啟閾值，使得高端FET在其Ves達(dá)到一定值時(shí)導(dǎo)通，從而其導(dǎo)通電阻可以達(dá)到最小值，導(dǎo)通損耗減小。低電源軌中的電源充、放電時(shí)采用欠壓鎖定技術(shù)，在電源電壓未到翻轉(zhuǎn)閾值時(shí)關(guān)斷系統(tǒng)中其他模塊電路，防止發(fā)生誤動(dòng)作弓I起系統(tǒng)崩潰。
[0026]綜上所述，本發(fā)明采用高低通道匹配的控制策略、高端柵極鉗位技術(shù)、集成二極管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全集成GaN驅(qū)動(dòng)電路，本發(fā)明中各模塊的具體電路均為常用電路，并未對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，為本領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員所熟知，因此不再贅述。
【權(quán)利要求】
1.一種用于GaN功率器件的驅(qū)動(dòng)電路，其特征在于，包括高通道驅(qū)動(dòng)模塊、低通道驅(qū)動(dòng)模塊、GaN FET管Ql、Q2 ;高通道驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端連接外部信號(hào)HI，低通道驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端連接外部信號(hào)LI，所述HI和LI為互補(bǔ)方波信號(hào)；高通道驅(qū)動(dòng)模塊采用高通道電源電壓HB和高通道地電位HS，輸出端與Ql的柵極連接，低通道驅(qū)動(dòng)模塊采用電源電壓VDD和地電位VSS，輸出端與Q2的柵極連接；GaN FET管Ql的漏極連接外部電壓VIN、源極與Q2的漏極連接；其中，高通道驅(qū)動(dòng)模塊和低通道驅(qū)動(dòng)模塊為相互獨(dú)立控制，分別傳輸高、低端的GaNFET控制信號(hào)； 高通道驅(qū)動(dòng)模塊包括電容電壓鉗位模塊、電壓轉(zhuǎn)移模塊、自舉充電模塊、高通道欠壓鎖定模塊、高通道控制信號(hào)輸入模塊、高通道電平移位模塊、高通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊、PMOS管MPl和NMOS管麗I ;高通道控制信號(hào)輸入模塊的一個(gè)輸入端接外部信號(hào)HI，其輸出端接高通道電平位移模塊的一個(gè)輸入端；高通道電平移位模塊的另一個(gè)輸入端接自舉充電模塊的一個(gè)輸出端，其輸出端接高通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的一個(gè)輸入端；自舉充電模塊的一個(gè)輸入端依次通過電壓轉(zhuǎn)移模塊和電壓鉗位模塊接高通道電源電壓HB，其另一個(gè)輸出端接高通道電源電壓HB并通過高通道欠壓鎖定模塊接高通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的另一個(gè)輸入端；高通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的輸出端接MPl和麗I的柵極，其電源輸入端接高通道電源電壓HB，其地電位端接高通道地電位HB ；MP1的源極接高通道電源電壓HB，其漏極通過Rl接Ql柵極；麗I的漏極接Ql的柵極，其源極接高通道地電位HS ；C1的一端接高通道電源電壓HB，另一端接高通道地電位HS ； 低通道驅(qū)動(dòng)模塊包括低通道欠壓鎖定模塊、低通道控制信號(hào)輸入模塊、低通道電平移位模塊、低通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊、PMOS管MP2和NMOS管MN2 ;低通道控制信號(hào)輸入模塊的輸入端接外部信號(hào)LI，其輸出端通過低通道電平移位模塊接低通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的一個(gè)輸入端；低通道欠壓鎖定模塊的輸入端接電源電壓VDD，其輸出端接高通道控制信號(hào)輸入模塊的另一個(gè)輸入端、自舉充電模塊的另一個(gè)輸入端和低通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的另一個(gè)輸入端；低通道功率管驅(qū)動(dòng)模塊的電源輸入端接電源電壓VDD，其地電位端接地電位VSS，其輸出端接MP2和麗2的柵極；MP2的源極接電源電壓VDD，其漏極通過R2接Q2的柵極；麗2的漏極接Q2的柵極，其源極接地電位VSS。
【文檔編號(hào)】H02M1/08GK103915990SQ201410157766
【公開日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年4月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月18日
【發(fā)明者】周澤坤, 王霞, 吳剛, 石躍, 孫亞東, 明鑫, 王卓, 張波 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)