[发明专利]氮化镓晶体管的驱动方法、电路及应用其电路的反激变换器

说明书

技术领域

本发明属于功率变换技术领域，特别是涉及DC-DC功率变换器的氮化镓晶体管的驱动方法、电路及应用其电路的反激变换器。

背景技术

随着电力电子技术迅速发展，功率变换器正向着高功率密度和高效率方向发展。传统功率变换器的工作频率一般为几十千到几百千赫兹，动态响应慢，同时储能元件(如电容、电感)的体积和重量相对较大，很大程度上降低了变换器的功率密度。而工作频率的提高能够有效加快变换器的动态响应速度以及变换器的功率密度。因此，变换器高频化、高功率密度化是功率变换器的发展趋势。

随着基于第3代半导体材料的宽禁带半导体器件的推出，功率变换器的工作频率以及变换效率都得到了显著的提升。作为宽禁带半导体器件的典型代表，氮化镓(Gallium Nitride,GaN)器件具有小的导通电阻和极小的寄生电容，使得它可以工作在MHz的开关频率处，从而在保证变换器效率相当的情况下，极大地减小了无源器件的体积和重量，提高了变换器的功率密度。现有的氮化镓器件主要分为高压的耗尽型氮化镓器件和低压的增强型氮化镓器件，文本中所述氮化镓器件都特指低压的增强型氮化镓晶体管器件。本文尝试进一步推高氮化镓器件的开关频率，并将其应用到超高频(Very High Frequency,VHF)变换器中。

虽然氮化镓器件优点很多，但它并未立即取代现有的硅器件，很大的原因在于它对于驱动严格的要求：1)驱动电压最大值、最小值严格，最大不能超过6V，而一般驱动氮化镓的电压为5V左右，所以要求震荡的电压幅值小于1V，最小不能小于-5V；2)开启电压极小，典型值只有1.4V，而它的开关速度又极快，所以要注意防止dv/dt过大造成的误导通情况发生，dv/dt指单位时间内漏源两极电压的变化。现有的氮化镓驱动芯片为了提高对dv/dt的抑制能力，都将氮化镓输入电容的放电回路的阻尼设置得特别小，大概在0.2欧姆左右，但是这样做之后，带来了另一个问题，就是输入电容放电时，由于驱动回路中寄生电感的存在，驱动电压的震荡很厉害，有可能产生误导通的现象，尤其在频率达到MHz以上的状态下，该问题未能得到解决。

除了驱动要求严格的问题之外，另外一个不同于硅器件的地方在于，氮化镓器件没有硅器件中常见的反偏二极管，严格来说，其反向偏压与二极管具相似功能但机理不同。在未加驱动电压时，电流反向流过氮化镓晶体管的时候，需要依靠反向导通机制来使得电流导通。反向导通机制是氮化镓晶体管在反向时需临界电压去开启，二极管之正向电压会比硅晶体管为高，由此引起的反向导通压降会很高，大约是常见硅MOS管反偏二极管导通电压的两倍，反向导通损耗很大。另一方面，能工作在MHz开关频率处的变换拓扑中，开关管多为软开关工作，为了保证软开关的实现，需要在其开通之前，留一定的死区时间，而死区时间内，需要反偏二极管导通续流，对于氮化镓器件而言，则是需要反向导通机制触发来续流。可以通过在外部反并二极管的方式来代替弥补反向导通电压大的缺点，但是当频率很高时，由于线路中的寄生电感，当反向电流流过时，外并的二极管无法立即导通，会产生额外的震荡和损耗，所以这种方法对于频率达到MHz级别的场合是不适用的。由于变换器的工作频率很高，死区时间占一个周期的比重较大，再加上氮化镓器件的高反向导通压降，死区时间内的反向导通损耗会在总损耗中占到较大的比重。更为严重的是，随着输入电压和输出电流的变化，谐振状态会发生变化，反向导通机制被触发的时间会增长，反向导通损耗会变得更大。目前对于氮化镓晶体管用作谐振变换器或者PWM软开关变换器中工作在ZVS状态下的控制管，业界还没有减小由于保证ZVS实现引入的死区时间段所产生的反向导通损耗的方案出现。

如何安全可靠地驱动氮化镓器件，并且尽可能地减小反向导通损耗，从而充分发挥其性能以提高系统的整体性能，是氮化镓器件替代硅器件的道路上一个亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是：在频率达到MHz以上情况下，针对上述现有氮化镓驱动芯片和驱动方法的不足，设计出一款安全可靠并且能充分发挥氮化镓性能的驱动，从而实现高效率的电能转换的氮化镓晶体管的驱动方法及电路。

与此相应，本发明的另一个目的是，在频率达到MHz以上情况下，针对上述现有氮化镓驱动芯片和驱动方法的不足，设计出一款安全可靠并且能充分发挥氮化镓性能的驱动，从而实现高效率的电能转换的反激变换器。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：