高速增強型GaN HEMT柵驅動電路設計

黃偉 周德金 許媛 何寧業 胡一波 胡文新

摘要 增強型GaN HEMT器件的開關速度較現有硅基MOSFET有很大提高，導致硅基MOSFET柵驅動電路無法用于驅動增強型GaN HEMT器件。本文設計了一種適用于增強型GaN HEMT器件的新型柵驅動電路，進而實現高速開關速度。該驅動電路包括接口電路、死區產生電路、電平移位電路、輸出驅動電路、欠壓保護電路、過流和過熱保護電路，Hspice軟件仿真結果表明該柵驅動電路功能正確，性能良好，驗證了設計有效性。

【關鍵詞】增強型 GaN HEMT 驅動電路 柵驅動

1 引言

以硅材料為基礎的傳統電力電子功率器件己逐步逼近其理論極限，難以滿足電力電子技術高頻化和高功率密度化的發展需求。與傳統的Si基功率器件相比，GaN功率器件展現了其在導通電阻和開關速度上的明顯優勢，可以使功率轉換器實現更小體積、更高頻率及更高效率，從而在汽車、通信、工業等領域中具有廣闊的應用前景。而系統開關頻率的提高，能有效地減小電路中電容、電感及變壓器的尺寸，而高速的柵極驅動電路用于驅動GaN功率器件，使得整個功率轉換器達到高效率且減小電路面積，節省成本，

增強型高電子遷移率晶體管（HEMT）是GaN功率器件面向電力電子領域應用的主要器件。GaN HEMT的主要優點有極低的門極電荷，極低的分布電容、超快的開關速度、超小的器件體積、優異的品質因數、超低的開關損耗和很低的器件發熱。在同樣的耐壓條件下，其與Si基MOSFET相比主要有：導通電阻和器件體積小、開關速度快、電流密度大和功率密度高的特點。GaN HEMTs的這些特點保證了其未來具有非常廣闊的前景與市場。但是也存在一些需要特別注意的因素：閾值電壓低;柵源電壓上限低;可反向導通。

上述特別因素的存在，使得GaN器件的驅動使用時需要特別考慮，導致目前傳統的用于硅基MOSFET的驅動電路不能直接適用于增強型GaN HEMT器件。GaN功率器件通常用在高頻開關頻率下（MHz以上），尤其是開關頻率達到IOMHz之后，傳統柵極驅動較大的延時（幾十納秒）就會占開關周期比例過大，甚至導致邏輯錯誤，進而限制了開關頻率無法升高。本論文設計了一種適用于GaN HEMT器件的柵極驅動電路，詳細給出了電路結構和核心電路具體實現，并給出了核心電路和總體電路的仿真驗證結果。

2 驅動電路結構

如圖1所示即為本文設計的適用于增強型GaN HEMT的柵驅動電路，其電路功能模塊包括用于輸入電平轉換的2路接口電路H和L，用于產生死區保護時間的死區產生電路，高壓側進行低壓轉高壓電平變換的電平移位電路，低壓端延遲補償的低端延遲匹配電路，兩路輸出驅動電路H和L，用于對整體電路狀態進行監控和保護的欠壓封鎖電路H和L、過流和過熱保護電路。

H端和L端兩路5V的輸入方波信號經過電平移位和延遲補償處理后被轉換成相位相匹配的2路驅動信號，L端的O～5V驅動信號和H端以vs為參考的幅值為5V的驅動信號，然后進入高壓和低壓驅動模塊的輸出級驅動電路。特別之處在于，電平移位電路、驅動電路H和欠壓封鎖電路H構成的H端驅動模塊，在版圖設計和工藝加工是必須做在一個具有浮動電位的高壓阱中。由于H端控制信號經過電平位移電路后，相比于L端信號產生了一定的延遲，因此須在L端通路上加入延遲匹配電路，進行延遲補償。

3 核心電路實現及仿真

3.1 接口電路

圖2為本文接口電路的原理圖。輸入端口IN接收來自芯片外部輸入的PWM脈沖控制信號，該PWM脈沖信號被輸入到輸入波形整理比較器的負端，與正端的參考電壓進行比較。當輸入電壓大于基準電壓時，比較器輸出低電位，經過低通濾波電阻與低通濾波電容組成的濾波網絡，輸出信號OUTI與IN同相，OUT2與IN反相。本文設計的邏輯控制電路電源電壓為5V，所以OUTI與OUT2的幅值均為5V。本文的接口電路H和L均采用圖2所示電路實現。

3.2 死區產生電路

圖3為本文死區產生電路的具體實現。邏輯信號H1、L2、H2和L1為兩個接口電路的輸出信號。FAULT信號是系統控制信號，OC為過流保護電路的輸出，OH是過熱保護電路的輸出，UV HH是欠壓封鎖電路H的輸出，UV HL是欠壓封鎖電路L的輸出。當FAULT、信號為高，或者電路出現過熱、過流或者電源電壓發生欠壓時，就會觸發死區電路的輸出為恒定的低電平，控制后續電路停止工作，直至觸發信號恢復正常。所設計的死區時間的大小由延遲電路決定，可以采用反相器和RC網絡。

3.3 電平移位電路

圖4為本文電平移位電路的具體實現。其實現的功能是將0～5V的數字邏輯電平轉換為以高壓VB和VS為擺幅基準的高壓數字邏輯電平，為此電路中必須適用高壓LDMOS器件。圖4所示電路的工作原理如下：輸入端的脈沖產生和整形電路將輸入信號OUT H轉化為窄脈沖信號，此時方波信號的邏輯電平仍然為0～5。當OUT H為低時，M51管關斷，LDMOS的柵極為高電平時，LDMOS開啟，LDMOS漏端電位為較VB低的VH; LDMOS柵極為低電平時，LDMOS漏極電位為VB。當OUT H為高時，M51管開啟，LDMOS的柵極為高時，LDMOS開啟，LDMOS漏極電位為較VB低的VL當LDMOS的柵極為低時，LDMOS關斷。比較器將LDMOS漏極分別與基準電壓進行比較，輸出兩路脈沖信號，通過或非門進行邏輯運算和濾波，再通過RS觸發器整形為一路方波信號。與輸入方波信號相比，此時的低電平電壓從0提高到了VB，輸出方波信號的幅值為VB～VS之間。

3.4 驅動電路

驅動電路用以減小輸出阻抗，同時增強輸出驅動能力。圖5為本文驅動電路的一種具體實現原理圖。輸出級驅動電路由反相器鏈，輸出驅動管M71和M72組成。2個輸出驅動管決定了電路的驅動電流和輸出電阻。正常工作時，輸出驅動管M71管和M72管交叉導通，相互之間導通時間間隔受死區時間保護;當電路出現過熱、過流或者電源電壓發生欠壓時，輸出驅動管將會被關閉。

3.5 電路仿真

本文柵驅動電路將輸入0～5V方波信號經過電平移位和延遲補償處理后轉換成相位相匹配的2路具有死區保護的相位相反方波信號，然后進入輸出驅動電路轉換為2路低電平不同，但擺幅相同，并且驅動能力增強了的輸出信號HO和LO。圖6為采用Hspice軟件和上華BCD工藝對所設計柵驅動電路進行晶體管級仿真得到的的輸入輸出曲線，輸出高壓部分的H端電源電壓VB為15V，VS采用IOV電壓，L端電源電壓VCC為5V。由于增強型GaN HEMT器件的柵驅動電壓為0～SV，因此本文設計的H端正常輸出的HO輸出擺幅為10V～15V，L端正常輸出的LO輸出擺幅為0- 5V。本文中設計的柵驅動電路集成了欠壓鎖定保護功能，當欠壓保護模塊檢測到VB電壓偏低，并判斷發生欠壓時，提供給驅動級電路的Buff H和Buff L電平應該為1和0，當VB電壓回升至正常電壓時，死區產生電路會重新開啟電路，恢復工作狀態。從圖6中給出的瞬態仿真結果可以看出，電路正常工作時，電平轉換和邏輯關系完全正確。當VB電壓降低到11.9V并觸發欠壓保護電路產生保護信號時，BuffH和Buff L電平被鎖定，輸出HO和LO信號也被鎖定;當VB電壓回升至12.68V以上電壓時，電路恢復正常工作狀態。仿真結果可以看出，電路功能完全正確，符合設計要求。

4 結論

采用上華BCD工藝設計了一種用于增強型GaN HEMT器件的柵驅動電路，給出了詳細的電路結構和具體實現電路，仿真表明電路功能正確，滿足設計要求。

參考文獻

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