[发明专利]用于基于GaN晶体管的功率转换器的自举电容器过电压管理电路

说明书

用于由增强型GaN晶体管形成的半桥晶体管电路的驱动电路。分流二极管在自举电容器和地之间的节点处连接到自举电容器，分流二极管通过分流电阻器与半桥的中点节点去耦。当半桥的高侧晶体管和低侧晶体管都关断时，分流二极管有利地提供低电压降路径以在死区时间充电时段期间对自举电容器充电。

背景技术

自产生以来，与传统硅技术相比，常闭增强型(e模式)氮化镓(GaN)晶体管已证明优异的电路内性能。一般而言，E模式GaN晶体管和宽带隙功率器件能够比硅MOSFET技术具有更高的性能，并且已经导致改进的应用基础的开发，以充分利用优质功率器件的能力并更好地优化围绕独特器件性质的设计。

对于e模式GaN晶体管，与标准硅MOSFET相比，一种不同的器件性质是较低的最大栅极电压能力。具体而言，与其硅MOSFET前代产品相比，栅极开销裕度(定义为制造商推荐的栅极电压与器件的最大栅极电压之差)对于e模式GaN晶体管来说很小。因此，当驱动e模式GaN晶体管、特别是非接地参考e模式GaN晶体管时，必须设计栅极驱动电路以避免超过晶体管的最大栅极驱动电压。

对于许多电力电子拓扑结构，使用非接地参考功率晶体管，包括基于半桥的拓扑结构，诸如同步降压、同步升压、隔离全桥、隔离半桥、LLC等等。使用自举电路生成非接地参考器件的栅极电压-图1A、1B-1D和1E分别示出了用于降压转换器配置的电路、电流和时序图。

如图1A所示，传统的降压转换器自举驱动器电路包括一对标记为Q1和Q2的晶体管12和14。通常，晶体管12和14分别称为高侧开关和低侧开关。高侧晶体管12的源极在半桥输出(V_SW)处耦合到低侧晶体管14的漏极。高侧晶体管12的漏极耦合到高电压源18(V_IN)，低侧晶体管14的源极耦合到地。此外，高侧晶体管12的栅极耦合到栅极驱动器IC的栅极驱动输出GH，并且低侧晶体管14的栅极耦合到栅极驱动器IC的栅极驱动输出GL。栅极驱动器在本领域中是公知的，并且在此将不再详细描述。然而，应该理解的是，该配置使得一个晶体管12或14(Q1或Q2)能够在操作期间导通而另一个晶体管被关断，反之亦然。

如图1A中进一步所示，驱动电压源20(V_DR)耦合到栅极驱动器IC的输入。自举电容器22(C_B)与栅极驱动器IC并联耦合，并且自举二极管24(D_B)耦合在驱动电压源20(V_DR)和自举电容器22(C_B)之间。

在时段t₁和t₂期间(图1E)，当接地参考(低侧)晶体管14(Q₂)导通时(在图1B和1C中由从驱动电压源20(V_DR)通过晶体管14(Q₂)到地的电流路径指示)，浮置自举电容器22(C_B)有效地接地，并且自举电容器可以被充电。具体地，当低侧晶体管14(Q₂)导通时，自举电容器22(C_B)充电至：

V_CB＝V_DR-V_RDB-V_DB+V_Q2

其中V_DR是驱动器电压，V_DB是自举二极管24的正向压降，V_RDB是跨可选电阻器RDB的电压降以限制自举电容器充电速度，并且V_Q2是跨低侧晶体管14(Q₂)的电压。当自举电容器22(C_B)被完全充电时，自举二极管24(D_B)将开始阻断并结束充电循环。