[发明专利]一种降低死区损耗的GaN驱动器

说明书

本发明属于宽禁带半导体功率器件驱动技术领域，具体为一种降低死区损耗的GaN驱动器。该驱动器利用高K介质功率器件能够根据不同控制信号切换至相应工作模式，使其适用各种不同电压等级的驱动中这一特点，基于高K介质功率器件有针对性的设计出对应的电路结构，来实现的GaN驱动优化。在两个死区时间内，本发明中的GaN管栅极电压始终钳位在一个固定电压，且该固定电压低于GaN功率管正向导通的阈值电压，即使低侧GaN管的漏极电压被抬高也不会使GaN功率管正向导通，从而显著减小死区时间内源漏之间的压降，无需通过减少死区时间即可实现降压DC‑DC应用中的死区损耗降低。

技术领域

本发明属于宽禁带半导体功率器件驱动技术领域，特别涉及一种降低死区损耗的GaN驱动器。

背景技术

氮化镓(GaN)与碳化硅(SiC)同属第三代宽禁带半导体功率器件，其相较于传统硅基器件具有电流密度大、开关速度快、工作频率高、开关损耗与导通损耗小的优点。除此之外，由于氮化镓相较于MOSFET没有寄生体二极管，不存在反向恢复损耗，因此更适用于桥式拓扑应用中。

GaN驱动的现有解决方案主要是基于LDMOS、CMOS等传统硅基器件，配合RC无源器件设计电路，通过电路尽量榨取器件的极限性能实现最优化驱动。在一些电压等级更高的应用场合中，由于GaN器件的阈值电压较低，易出现GaN器件误开启的问题，针对该问题，常规的操作方法是通过驱动电路产生负压，使用负压来驱动GaN的栅极，将关闭GaN的栅极电压降低到地电平以下，以此来避免GaN器件的误开启。

但是，GaN半桥开关在同步降压型DC-DC转换器的应用中，因GaN器件不存在体二极管，当GaN半桥开关处于死区阶段时，将引起低侧GaN管的反向导通，此时低侧GaN管是否反向导通和GaN管的栅极电位无关，只和电感储能引起电流续流有关。如果此时GaN管的栅极上存在负压，漏级将出现比栅极更低的负压，源漏之间的电压差很大，将出现更大的损耗，降低能量转换的效率。

目前，GaN半桥开关在降压DC-DC应用中，大都通过控制死区时间来减小与死区时间有关的损耗。例如【J.Wittmann,A.Barner,T.Rosahl and B.Wicht,An 18V Input10MHz Buck Converter With 125ps Mixed-Signal Dead Time Control,in IEEEJournal of Solid-State Circuits,vol.51,no.7,pp.1705-1715,July 2016,doi:10.1109/JSSC.2016.2550498.】，【N.Z.Yahaya,K.M.Begam and M.Awan,Design andSimulation of an Improved Soft-Switched Synchronous Buck Converter,2009ThirdAsia International Conference on ModellingSimulation,2009,pp.751-756,doi:10.1109/AMS.2009.62.】，【L.Mei,D.Williams and W.Eberle,Apredictive analogdead-time control circuit for a buck converter,2013 26th IEEE CanadianConference on Electrical and Computer Engineering(CCECE),2013,pp.1-5,doi:10.1109/CCECE.2013.6567695.】，等等。除控制死区时间以外，尚无有效的方法减小死区负压损耗。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低死区损耗的GaN驱动器，以解决GaN半桥开关在降压DC-DC应用中死区损耗较大的技术问题，有效降低死区负压损耗。

一种降低死区损耗的GaN驱动器，包括半桥驱动电路和负载；

所述半桥驱动电路由高K介质功率器件、电源、第一耦合电容、第一NMOS管、高侧GaN管和低侧GaN管组成；