CN102611288A

CN102611288A - 氮化镓功率晶体管三电平驱动方法

Info

Publication number: CN102611288A
Application number: CN2012100719699A
Authority: CN
Inventors: 任小永; 陈乾宏; 阮新波
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-03-19
Also published as: CN102611288B

Abstract

本发明的氮化镓功率晶体管三电平驱动方式，在现有两电平驱动方式的基础上，针对反向导通机制带来的导通压降大的问题，提出在栅源极驱动信号的死区时间内预置一个低于门槛电压的电平。在氮化镓功率晶体管需要反向导通机制工作时，在其驱动器的低端接一个低于开关管门槛电压的中间电平Vx，由该中间电平Vx补偿晶体管反向导通机制引起的栅漏极电压Vgd，使源漏极压降从Vth减小为Vth-Vx，晶体管反向导通压降减小。最终降低反向导通功耗，提高变换器的效率。该三电平驱动方式可用于一切需要氮化镓功率晶体管反向导通机制工作的场合，典型应用为互补导通控制的桥臂结构以及同步整流管。

Description

氮化镓功率晶体管三电平驱动方法

技术领域

本发明涉及一种适用于氮化镓（Gallium Nitride, GaN）功率晶体管的三电平门极驱动方法，属于半导体应用或电能变换领域。

背景技术

氮化镓(Gallium Nitride, GaN)材料具有禁带宽度宽、临界击穿电场强度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点，特别是基于GaN的AlGaN/GaN结构具有更高的电子迁移率，使得GaN器件具有低的导通电阻、高的工作频率，符合下一代开关电源变换器高频率、高功率密度及高可靠性的要求。

由于氮化镓功率晶体管的开关特性、驱动技术、损耗机制相比硅基MOSFET有显著差异，如何实现对氮化镓功率晶体管的驱动，对发挥其优势、提高系统整体性能的作用举足轻重。目前，硅基MOSFET的驱动方式可以归纳为PWM方式和谐振方式两大类。其中，PWM驱动方式又可以分为集成式驱动和分立式驱动。集成式引起驱动结构简单、可靠而被广泛使用，尤其是对于互补开通的桥臂结构。

对于需要互补导通的桥臂结构，为了避免两管直通造成对源的短路，通常两个驱动信号之间留有一定死区时间，由于开关管上升下降时间随工作条件不同而改变，因此死区时间的设置通常是考虑最恶劣的情况，即取最大值。集成驱动器中预设了死区时间，因其既可以实现高可靠开通又可有效避免桥臂直通而被广泛采用。然而，传统的PWM方式并没有考虑到控制死区时间对于开关管的控制，对于互补导通的桥臂结构，控制死区时间由开关管的反向导通机制实现电流续流。氮化镓功率晶体管由于没有体二极管，反向导通机制与硅基MOSFET不同，其压降也远高于硅基MOSFET体二极管的压降。这对于高频工作的氮化镓功率晶体管而言，若是沿用原有的PWM驱动方式，死区时间的导通损耗将成为效率提高的障碍。针对桥臂互补导通增强型氮化镓功率晶体管结构，美国国家半导体(现德州仪器)2012年初刚刚推出一款集成的控制器LM5113，该控制器实际上还是基于传统的PWM方式，不同的是把死区时间设置的问题推给了逻辑控制电路，并没有从根本上解决死区时间反向导通的问题。另外，采用反并二极管的方式解决导通压降的问题在频率上升到兆赫兹级别时是不适用的。

针对硅基MOSFET的谐振式驱动是利用驱动回路的寄生电感或谐振电感与开关管结电容之间的谐振实现对开关管的驱动，通过对驱动能量进行回收降低驱动损耗。而谐振式驱动电路本身并非无损的，其之所以能降低损耗实际上是节省了逻辑电路驱动损耗与功率电路驱动损耗之间的功耗差。这对于Q _g比较大的硅基MOSFET而言效果很明显，而氮化镓功率晶体管的Q _g较小，谐振式驱动利用功耗差提高效率的效果不再明显。另外，与PWM一样，在用于桥臂结构驱动时，谐振式驱动并没有考虑死区时间的控制。总之，现有驱动方案限制了氮化镓功率晶体管的优势，需要新的以充分发挥氮化镓功率晶体管的优势、回避其不足。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有硅基MOSFET驱动方式直接应用到氮化镓功率晶体管驱动的缺陷，设计一种有利于充分发挥氮化镓功率晶体管优势，弥补其特性上的不足，从而实现高频、高效率变换的驱动方法。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种氮化镓功率晶体管的三电平驱动方法，其特征是：在氮化镓功率晶体管需要反向导通机制工作时，在其驱动器的低端接一个低于开关管门槛电压的中间电平Vx，由该中间电平Vx补偿晶体管反向导通机制引起的栅漏极电压Vgd，使源漏极压降从Vth减小为Vth-Vx，晶体管反向导通压降减小。

氮化镓功率晶体管的三电平驱动电路包括：氮化镓功率晶体管、驱动器和中间电平发生单元，该中间电平发生单元设有一个图腾柱，该图腾柱的输入端接控制信号CON，输出端接驱动器的低端，图腾柱的低端接地，高端接电平Vx。

互补导通控制的桥臂结构中一个氮化镓功率晶体管或两个氮化镓功率晶体管驱动采用三电平驱动。

在氮化镓功率晶体管用作同步整流管反向导通时，驱动电路采用三电平驱动。

本发明的氮化镓功率晶体管三电平驱动方式，在现有两电平驱动方式的基础上，针对反向导通机制带来的导通压降大的问题，提出在栅源极驱动信号的死区时间内预置一个低于门槛电压的电平。该电平的引入可以补偿反向导通机制带来的栅漏极电压，从而减小源漏极在反向导通机制工作时电压降，最终降低反向导通功耗，提高变换器的效率。

该三电平驱动方式可用于一切需要氮化镓功率晶体管反向导通机制工作的场合，典型应用为互补导通控制的桥臂结构以及同步整流管。

本发明基于氮化镓功率晶体管的反向导通机制及其结构对称的特性所提出，在控制死区时间内，于栅极与源极之间施加一个低于其门槛电压的电平，从反向导通机制的电压平衡角度，解决漏源极在反向导通时压降大的问题。

本发明与现有驱动方式相比的主要技术特点是，通过本发明的驱动方法，可以大幅的降低氮化镓功率晶体管反向导通压降（理论上可以做到零压降），从而降低反向导通损耗，提高变换器的效率，尤其是在高频工作时的效率。

附图说明

图1 互补导通的两只开关管传统驱动方式；

图2 三电平驱动方式；

图3 互补导通的两只开关管三电平驱动方式；

图4 Vx电平产生机理；

图5 逻辑控制时序图；

图6 桥臂下管三电平驱动（同步整流Buck变换器）应用实例；

图7桥臂下管三电平驱动（同步整流Buck变换器）驱动逻辑时序；

图8 三电平与两电平效率曲线对比；

图9 三电平与反并二极管在不同工作频率的情况对比;

图10 桥臂上管三电平驱动（同步整流Boost变换器）应用实例；

图11桥臂上管三电平驱动（同步整流Boost变换器）驱动逻辑时序；

图12 桥臂结构双管三电平驱动电路；

图13 桥臂结构双管三电平驱动电路逻辑时序；

图14 半波同步整流电路；

图15 全波同步整流电路；

图16 倍流同步整流电路。

图中：PWM、PWM1、PWM2为脉宽信号；CON为控制信号；Vx为中间电平；Vgs为驱动电压；M为驱动控制的死区时间；Q1、Q2、SR1、SR2为氮化镓功率晶体管。各图中的M为控制死区时间。

具体实施方式

三电平驱动方式是相对于传统开关管两电平驱动方式而言的。一般两只开关管需要互补导通的应用场合，为了避免短路故障，两只开关控制信号之间存在一个死区，电流通过开关管的反向导通机制续流。驱动信号为两电平，即高电平与低电平（如图1）。而所谓的三电平则是在传统栅源极两电平的驱动方式中引入一个中间电平Vx（如图2）。

在Vx低于氮化镓功率晶体管的门槛电压Vth时，栅源极电压不足以开通开关管；此时Vx可以用于补偿栅漏极电压Vgd由于反向导通机制工作带来的压降Vth，使得实际源漏极电压降为Vth-Vx，从而减小反向导通机制带来的高频工作损耗大的问题。

对两只需要互补导通的开关管，可能存在的工作方式可以分为两种（如图3），即一只开关管两电平、一只三电平以及两只均采用三电平。根据实际情况，选用不同的驱动方式，即需要反向工作机制动作的开关管选用三电平驱动方式。

实施例一：

互补导通控制的桥臂结构中一只氮化镓功率晶体管驱动采用三电平驱动。

如图6，是氮化镓功率晶体管三电平驱动在同步整流Buck变换器中的应用（即桥臂下管需要反向导通的情况），下管采用三电平驱动。该三电平驱动电路包括：中间电平发生单元、氮化镓功率晶体管Q1及其驱动器、氮化镓功率晶体管Q2及其驱动器，中间电平发生单元的图腾柱输出端接氮化镓功率晶体管Q2驱动器的低端。脉冲PWM1经电平转换电路接氮化镓功率晶体管Q1驱动器的脉宽输入端；脉冲PWM2接氮化镓功率晶体管Q2驱动器的脉宽输入端；中间电平发生单元图腾柱的输入端接控制信号CON。

实施例二：

上述图6是下管需要反向导通，对于上管需要反向导通的情况（如同步整流Boost变换器），驱动电路略有不同，如图10所示。该三电平驱动电路同样包括：中间电平发生单元、氮化镓功率晶体管Q1及其驱动器、氮化镓功率晶体管Q2及其驱动器。不同之处在于是中间电平发生单元的图腾柱输出端接氮化镓功率晶体管Q1驱动器的低端，图腾柱低端接桥臂中点，即Q1的源极和Q2的漏极，而控制信号通过电平转换电路连接到图腾柱的输入端。脉冲PWM1经电平转换电路接氮化镓功率晶体管Q1驱动器的脉宽输入端；脉冲PWM2接氮化镓功率晶体管Q2驱动器的脉宽输入端。

实施例三：

互补导通控制的桥臂结构中两只氮化镓功率晶体管驱动均采用三电平动。如图12，该三电平驱动电路包括：中间电平发生单元、氮化镓功率晶体管Q1及其驱动器、氮化镓功率晶体管Q2及其驱动器，中间电平发生单元包括两个图腾柱，一个图腾柱的输出端接氮化镓功率晶体管Q2驱动器的低端，其低端接地，信号输入端接控制信号CON。另一个图腾柱的输出端接氮化镓功率晶体管Q1驱动器的低端，低端接桥臂中点即Q1的源极和Q2的漏极，控制信号CON经电平转换电路与该图腾柱的输入端连接。脉冲PWM1经电平转换电路接氮化镓功率晶体管Q1驱动器的脉宽输入端；脉冲PWM2接氮化镓功率晶体管Q2驱动器的脉宽输入端；中间电平发生单元的信号输入端接控制信号CON，控制信号CON一路直接一个图腾柱的输入端，控制信号CON又经电平转换电路与另一图腾柱的输入端。

实施例四：

三电平驱动的具体实现方式（如图4）为在传统的驱动结构基础之上，加上一个图腾柱结构，图腾柱中点输出接到原先驱动器的低端，通过控制输入的CON信号实现在原有两电平PWM信号两侧上叠加中间电平Vx，实现上述的三电平驱动方式。其基本逻辑控制时序电路如图5所示，当CON信号为低时，中间电平发生单元输出为低电位（即此时该单元不参与电路运行），对外表现就是传统两电平驱动器，PWM输入为高电平，驱动输出为高电平，PWM输入为低电平时则对应驱动输出为低电平；当CON的电平为高时，中间电平发生单元的输出电平为Vx，而传统驱动器单元此时的输出信号为低，因此，这一段时间加到开关管门极和源极的电平为Vx，从而实现了中间电平；这样一个周期内驱动输出就有三个电平，即实现了三电平驱动方式，该驱动方式可以用于实现对图14-16中同步整流管SR1和SR2的驱动，由于SR1和SR2共地，这三种情况无需电平转换电路。

实施例五：

为了说明该方法的有效性，采用一个同步整流Buck变换器进行了验证，简要电路如图6所示，其中上管仍然是两电平工作，下管为三电平工作，工作方式与图4中相同。图7给出的是对应的PWM信号、控制信号以及输出的驱动信号。这里开关管采用EPC公司的EPC1015，传统驱动器LM27222，死区时间16ns，开关频率为1MHz，电感值为150nH。

图8给出的是样机在不同Vx下的效率对比。显然，在Vx<Vth的前提下，增大Vx意味着变换器效率的提高。与此同时，为了比较GaN与Si MOSFET的性能，这里同样给出了一组优化设计的Si MOSFET样机的实验结果，Q1和Q2分别采用TI的CSD16410和CSD16325，其余参数保持一致。在工作频率为1MHz时，GaN两电平驱动的满载效率要高于MOSFET；但是由于其反向导通压降远大于MOSFET的体二极管压降，因此其轻载工作时的效率要远低于MOSFET。

另外，为了证明驱动方法改进的必要性，将发明所提出的控制策略与Q2并联肖特基二极管的情形进行了对比。其中，Vx=1.5V，当开关频率上升到2MHz时，滤波电感减小到80nH，其余参数保持不变。图9给出了效率曲线对比，在满载条件下，fs=1MHz时，三电平驱动方案比并联二极管方案的效率高0.3%；当频率上升到2MHz时，三电平方案的优势接近1%。也就是说，随着频率上升，所提的三电平方案优势增大，这对于适用于高频开关的GaN功率晶体管而言是十分必要的。

实施例六：

当仅上管需要反向导通机制工作时，如同步整流Boost变换器通过反向导通机制实现续流管的软开关，可以采用将图10中的驱动结构实现，其基本逻辑时序结构如图11所示。

实施例七：

当上下管都需要反向导通机制工作时，如移相全桥变换器、半桥LLC谐振变换器通过反向导通机制实现开关管的软开关，可以将图6中的驱动结构做改动（如图12），即可实现图3（b）的驱动信号，达到减小反向导通压降的目的，其基本逻辑时序结构如图13所示。

对于互补桥臂以及同步整流驱动而言，电路中都存在与原始PWM信号的互补信号，中间电平控制信号CON可以直接通过这两个信号产生，其逻辑关系为

。

Claims

1.一种氮化镓功率晶体管的三电平驱动方法，其特征是：在氮化镓功率晶体管需要反向导通机制工作时，在其驱动器的低端接一个低于开关管门槛电压的中间电平Vx，由该中间电平Vx补偿晶体管反向导通机制引起的栅漏极电压Vgd，使源漏极压降从Vth减小为Vth-Vx，晶体管反向导通压降减小。

2.根据权利要求1所述的驱动方法，其特征是：氮化镓功率晶体管的三电平驱动电路包括：氮化镓功率晶体管、驱动器和中间电平发生单元，该中间电平发生单元设有一个图腾柱，该图腾柱的输入端接控制信号CON，输出端接驱动器的低端，图腾柱的低端接地，高端接电平Vx。

3.根据权利要求1、或2所述的驱动方法，其特征是：互补导通控制的桥臂结构中一个氮化镓功率晶体管或两个氮化镓功率晶体管驱动采用三电平驱动。

4.根据权利要求1或2所述的驱动方法，其特征是：在氮化镓功率晶体管用作同步整流管反向导通时，驱动电路采用三电平驱动。