[发明专利]氮化镓功率晶体管三电平驱动方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种适用于氮化镓（Gallium Nitride, GaN）功率晶体管的三电平门极驱动方法，属于半导体应用或电能变换领域。

背景技术

氮化镓(Gallium Nitride, GaN)材料具有禁带宽度宽、临界击穿电场强度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点，特别是基于GaN的AlGaN/GaN结构具有更高的电子迁移率，使得GaN器件具有低的导通电阻、高的工作频率，符合下一代开关电源变换器高频率、高功率密度及高可靠性的要求。

由于氮化镓功率晶体管的开关特性、驱动技术、损耗机制相比硅基MOSFET有显著差异，如何实现对氮化镓功率晶体管的驱动，对发挥其优势、提高系统整体性能的作用举足轻重。目前，硅基MOSFET的驱动方式可以归纳为PWM方式和谐振方式两大类。其中，PWM驱动方式又可以分为集成式驱动和分立式驱动。集成式引起驱动结构简单、可靠而被广泛使用，尤其是对于互补开通的桥臂结构。

对于需要互补导通的桥臂结构，为了避免两管直通造成对源的短路，通常两个驱动信号之间留有一定死区时间，由于开关管上升下降时间随工作条件不同而改变，因此死区时间的设置通常是考虑最恶劣的情况，即取最大值。集成驱动器中预设了死区时间，因其既可以实现高可靠开通又可有效避免桥臂直通而被广泛采用。然而，传统的PWM方式并没有考虑到控制死区时间对于开关管的控制，对于互补导通的桥臂结构，控制死区时间由开关管的反向导通机制实现电流续流。氮化镓功率晶体管由于没有体二极管，反向导通机制与硅基MOSFET不同，其压降也远高于硅基MOSFET体二极管的压降。这对于高频工作的氮化镓功率晶体管而言，若是沿用原有的PWM驱动方式，死区时间的导通损耗将成为效率提高的障碍。针对桥臂互补导通增强型氮化镓功率晶体管结构，美国国家半导体(现德州仪器)2012年初刚刚推出一款集成的控制器LM5113，该控制器实际上还是基于传统的PWM方式，不同的是把死区时间设置的问题推给了逻辑控制电路，并没有从根本上解决死区时间反向导通的问题。另外，采用反并二极管的方式解决导通压降的问题在频率上升到兆赫兹级别时是不适用的。

针对硅基MOSFET的谐振式驱动是利用驱动回路的寄生电感或谐振电感与开关管结电容之间的谐振实现对开关管的驱动，通过对驱动能量进行回收降低驱动损耗。而谐振式驱动电路本身并非无损的，其之所以能降低损耗实际上是节省了逻辑电路驱动损耗与功率电路驱动损耗之间的功耗差。这对于Q_g比较大的硅基MOSFET而言效果很明显，而氮化镓功率晶体管的Q_g较小，谐振式驱动利用功耗差提高效率的效果不再明显。另外，与PWM一样，在用于桥臂结构驱动时，谐振式驱动并没有考虑死区时间的控制。总之，现有驱动方案限制了氮化镓功率晶体管的优势，需要新的以充分发挥氮化镓功率晶体管的优势、回避其不足。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有硅基MOSFET驱动方式直接应用到氮化镓功率晶体管驱动的缺陷，设计一种有利于充分发挥氮化镓功率晶体管优势，弥补其特性上的不足，从而实现高频、高效率变换的驱动方法。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种氮化镓功率晶体管的三电平驱动方法，其特征是：在氮化镓功率晶体管需要反向导通机制工作时，在其驱动器的低端接一个低于开关管门槛电压的中间电平Vx，由该中间电平Vx补偿晶体管反向导通机制引起的栅漏极电压Vgd，使源漏极压降从Vth减小为Vth-Vx，晶体管反向导通压降减小。

氮化镓功率晶体管的三电平驱动电路包括：氮化镓功率晶体管、驱动器和中间电平发生单元，该中间电平发生单元设有一个图腾柱，该图腾柱的输入端接控制信号CON，输出端接驱动器的低端，图腾柱的低端接地，高端接电平Vx。

互补导通控制的桥臂结构中一个氮化镓功率晶体管或两个氮化镓功率晶体管驱动采用三电平驱动。

在氮化镓功率晶体管用作同步整流管反向导通时，驱动电路采用三电平驱动。

本发明的氮化镓功率晶体管三电平驱动方式，在现有两电平驱动方式的基础上，针对反向导通机制带来的导通压降大的问题，提出在栅源极驱动信号的死区时间内预置一个低于门槛电压的电平。该电平的引入可以补偿反向导通机制带来的栅漏极电压，从而减小源漏极在反向导通机制工作时电压降，最终降低反向导通功耗，提高变换器的效率。