高速增強型GaN HEMT柵驅(qū)動電路設計

黃偉 周德金 許媛 何寧業(yè) 胡一波 胡文新

摘要 增強型GaN HEMT器件的開關(guān)速度較現(xiàn)有硅基MOSFET有很大提高，導致硅基MOSFET柵驅(qū)動電路無法用于驅(qū)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(qū)動電路，進而實現(xiàn)高速開關(guān)速度。該驅(qū)動電路包括接口電路、死區(qū)產(chǎn)生電路、電平移位電路、輸出驅(qū)動電路、欠壓保護電路、過流和過熱保護電路，Hspice軟件仿真結(jié)果表明該柵驅(qū)動電路功能正確，性能良好，驗證了設計有效性。

【關(guān)鍵詞】增強型 GaN HEMT 驅(qū)動電路 柵驅(qū)動

1 引言

以硅材料為基礎的傳統(tǒng)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(shù)高頻化和高功率密度化的發(fā)展需求。與傳統(tǒng)的Si基功率器件相比，GaN功率器件展現(xiàn)了其在導通電阻和開關(guān)速度上的明顯優(yōu)勢，可以使功率轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)更小體積、更高頻率及更高效率，從而在汽車、通信、工業(yè)等領(lǐng)域中具有廣闊的應用前景。而系統(tǒng)開關(guān)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(qū)動電路用于驅(qū)動GaN功率器件，使得整個功率轉(zhuǎn)換器達到高效率且減小電路面積，節(jié)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(lǐng)域應用的主要器件。GaN HEMT的主要優(yōu)點有極低的門極電荷，極低的分布電容、超快的開關(guān)速度、超小的器件體積、優(yōu)異的品質(zhì)因數(shù)、超低的開關(guān)損耗和很低的器件發(fā)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(guān)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?qū)ā?/p>

上述特別因素的存在，使得GaN器件的驅(qū)動使用時需要特別考慮，導致目前傳統(tǒng)的用于硅基MOSFET的驅(qū)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(guān)頻率下（MHz以上），尤其是開關(guān)頻率達到IOMHz之后，傳統(tǒng)柵極驅(qū)動較大的延時（幾十納秒）就會占開關(guān)周期比例過大，甚至導致邏輯錯誤，進而限制了開關(guān)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(qū)動電路，詳細給出了電路結(jié)構(gòu)和核心電路具體實現(xiàn)，并給出了核心電路和總體電路的仿真驗證結(jié)果。

2 驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)

如圖1所示即為本文設計的適用于增強型GaN HEMT的柵驅(qū)動電路，其電路功能模塊包括用于輸入電平轉(zhuǎn)換的2路接口電路H和L，用于產(chǎn)生死區(qū)保護時間的死區(qū)產(chǎn)生電路，高壓側(cè)進行低壓轉(zhuǎn)高壓電平變換的電平移位電路，低壓端延遲補償?shù)牡投搜舆t匹配電路，兩路輸出驅(qū)動電路H和L，用于對整體電路狀態(tài)進行監(jiān)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(jīng)過電平移位和延遲補償處理后被轉(zhuǎn)換成相位相匹配的2路驅(qū)動信號，L端的O～5V驅(qū)動信號和H端以vs為參考的幅值為5V的驅(qū)動信號，然后進入高壓和低壓驅(qū)動模塊的輸出級驅(qū)動電路。特別之處在于，電平移位電路、驅(qū)動電路H和欠壓封鎖電路H構(gòu)成的H端驅(qū)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(jīng)過電平位移電路后，相比于L端信號產(chǎn)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(xiàn)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(jīng)過低通濾波電阻與低通濾波電容組成的濾波網(wǎng)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(xiàn)。

3.2 死區(qū)產(chǎn)生電路

圖3為本文死區(qū)產(chǎn)生電路的具體實現(xiàn)。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(tǒng)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(xiàn)過熱、過流或者電源電壓發(fā)生欠壓時，就會觸發(fā)死區(qū)電路的輸出為恒定的低電平，控制后續(xù)電路停止工作，直至觸發(fā)信號恢復正常。所設計的死區(qū)時間的大小由延遲電路決定，可以采用反相器和RC網(wǎng)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(xiàn)。其實現(xiàn)的功能是將0～5V的數(shù)字邏輯電平轉(zhuǎn)換為以高壓VB和VS為擺幅基準的高壓數(shù)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(chǎn)生和整形電路將輸入信號OUT H轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(fā)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(qū)動電路

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

3.5 電路仿真

本文柵驅(qū)動電路將輸入0～5V方波信號經(jīng)過電平移位和延遲補償處理后轉(zhuǎn)換成相位相匹配的2路具有死區(qū)保護的相位相反方波信號，然后進入輸出驅(qū)動電路轉(zhuǎn)換為2路低電平不同，但擺幅相同，并且驅(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(fā)生欠壓時，提供給驅(qū)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(qū)產(chǎn)生電路會重新開啟電路，恢復工作狀態(tài)。從圖6中給出的瞬態(tài)仿真結(jié)果可以看出，電路正常工作時，電平轉(zhuǎn)換和邏輯關(guān)系完全正確。當VB電壓降低到11.9V并觸發(fā)欠壓保護電路產(chǎn)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(tài)。仿真結(jié)果可以看出，電路功能完全正確，符合設計要求。

4 結(jié)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(qū)動電路，給出了詳細的電路結(jié)構(gòu)和具體實現(xiàn)電路，仿真表明電路功能正確，滿足設計要求。

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