CN108696268B - 一种常开型GaN FET的直接驱动电路 - Google Patents

一种常开型GaN FET的直接驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种常开型GaN FET的直接驱动电路，包括驱动输入模块、LVMOS驱动模块、欠压保护模块、CSD模块和过电流保护模块，驱动输入模块输出信号至LVMOS驱动模块、CSD模块和JFET管J1，欠压保护模块和过电流保护模块分别输出信号至驱动输入模块，CSD模块分别连接欠压保护模块、LVMOS驱动模块、JFET管J1的漏极和GaN FET管F1的栅极，JFET管J1的源极分别连接P型LVMOSFET管L1的漏极和欠压保护模块，P型LVMOSFET管L1的源极分别连接欠压保护模块和GaN FET管F1的源极，P型LVMOSFET管L1的栅极连接LVMOS驱动模块，GaN FET管F1的漏极连接过电流保护模块。本发明能够降低开关损耗。

Description

一种常开型GaN FET的直接驱动电路
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别是涉及一种常开型GaN FET的直接驱动电路。
背景技术
作为第三代半导体材料的代表，GaN具有宽禁带、高临界击穿电场、高饱和电子漂移速度、高电子迁移率及导热率高等优点，适用于高频、高压、高温、大功率等场合。在众多的GaN晶体管类型中，耗尽型GaN晶体管的技术较为成熟，与増强型器件相比，耗尽型器件由于它的常开型特性导致设备的安全性降低，故耗尽型器件在电力电子装置中应用较少。为了方便GaN的应用，器件厂商通过Cascode结构(共源共栅结构)将高压的耗尽型GaN晶体管与低压的Si MOSFET结合起来，组成增强型GaN晶体管，但是低压NMOS的开关损耗将大大增加增强型GaN晶体管的开关损耗，并且由于是通过控制NMOS的导通和关断来间接控制增强型GaN晶体管的源极电位，所以可控性也存在一定不足。除此之外，在高频化、大功率密度的应用场合中，传统电压型驱动方式带来了一些缺点：驱动电路中的RC充放电电路使得栅极有效驱动电流受栅极驱动电压的影响而减小，导致开关时间和开关损耗的增加；栅极电容储存的能量在开关过程中被消耗，这种驱动损耗与开关频率成正比。为了减小高频驱动损耗，谐振驱动技术应运而生，通过谐振电路回收驱动能量，减小损耗，但是谐振过程的延迟会使得驱动电流从零开始增长，降低开关速度，增加开关损耗。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够降低开关损耗的常开型GaN FET的直接驱动电路。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的常开型GaN FET的直接驱动电路，包括驱动输入模块、LVMOS驱动模块、欠压保护模块、CSD模块和过电流保护模块，驱动输入模块输出信号至LVMOS驱动模块、CSD模块和JFET管J1，欠压保护模块和过电流保护模块分别输出信号至驱动输入模块，CSD模块分别连接欠压保护模块、LVMOS驱动模块、JFET管J1的漏极和GaN FET管F1的栅极，JFET管J1的源极分别连接P型LVMOSFET管L1的漏极和欠压保护模块，P型LVMOSFET管L1的源极分别连接欠压保护模块和GaN FET管F1的源极，P型LVMOSFET管L1的栅极连接LVMOS驱动模块，GaN FET管F1的漏极连接过电流保护模块。
进一步，所述驱动输入模块包括光耦合器OC1和光耦合器OC2，光耦合器OC1的输入端、光耦合器OC2的输出端分别连接控制单元。
进一步，所述欠压保护模块包括欠压锁定单元UVLO，欠压锁定单元UVLO的输出端连接驱动输入模块，欠压锁定单元UVLO的正电压输入端分别连接CSD模块、LVMOS驱动模块、线性调压器X1的正电压输入端、电容CVreg的一端、电容CVEE的一端、辅助电源FZ1的正电压输出端、GaN FET管F1的源极和P型LVMOSFET管L1的源极，欠压锁定单元UVLO的负电压输入端分别连接线性调压器X1的输出端、CSD模块、LVMOS驱动模块和电容CVreg的另一端，线性调压器X1的负电压输入端分别连接电容CVEE的另一端、二极管D3的阳极和辅助电源FZ1的负电压输出端，电容CVreg的另一端还连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极分别连接二极管D3的阴极和P型LVMOSFET管L1的漏极。
进一步，所述CSD模块包括电容Cb，电容Cb的一端分别连接N型MOSFET管S1的漏极、LVMOS驱动模块和欠压保护模块，电容Cb的另一端连接电感Lr的一端，电感Lr的另一端分别连接N型MOSFET管S1的源极、N型MOSFET管S2的漏极、JFET管J1的漏极和GaN FET管F1的栅极，N型MOSFET管S2源极分别连接欠压保护模块和LVMOS驱动模块，N型MOSFET管S1的栅极和N型MOSFET管S2的栅极分别连接驱动输入模块。
进一步，所述过电流保护模块包括比较器B1，比较器B1的输出端连接驱动输入模块，比较器B1的反相输入端通过电压源VREF接地，比较器B1的同相输入端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端分别连接电阻R2的一端和电容C1的一端，电容C1的另一端接地，电阻R2的另一端分别连接电阻R1的一端、二极管Dtest的阳极和二极管D1的阳极，电阻R1的另一端连接二极管D1的阴极，二极管Dtest的阴极连接GaN FET管F1的漏极。
进一步，所述LVMOS驱动模块包括反相器FF1，驱动输入模块输出信号至反相器FF1的输入端，反相器FF1的第一反相输出端连接P型MOSFET管M1的栅极，反相器FF1的第二反相输出端连接N型MOSFET管M3的栅极，反相器FF1的输出端连接N型MOSFET管M2的栅极，N型MOSFET管M2的源极连接N型MOSFET管M3的漏极，N型MOSFET管M1的漏极连接电阻Rg1的一端，电阻Rg1的另一端连接P型LVMOSFET管L1的栅极，N型MOSFET管M1的源极分别连接N型MOSFET管M2的漏极、欠压保护模块和CSD模块。
有益效果：本发明公开了一种常开型GaN FET的直接驱动电路，与现有技术相比，具有如下的有益效果：
1、本发明可以实现GaN FET管F1和P型LVMOSFET管L1由各自的栅极驱动器直接控制，提高了对GaN FET管F1的可控性；
2、由于不需要通过控制LVMOSFET管L1的通断来间接控制GaN FET管F1的源极电位，器件的开关损耗降低；
3、本发明实现电流源驱动GaN FET管F1，开关时间和开关损耗显著减小，驱动电路中开关管驱动能量得到回收，驱动开关管均可实现零电压关断；
4、欠压保护模块存在线性调压器，可以产生精准的驱动器电源电压；
5、在正常的启动期间，LVMOSFET管L1用于将GaN FET管F1保持在安全的关断状态；
6、过流保护模块可以保护GaN FET管F1不会因过流现象而损坏；
7、JFET管J1可以将LVMOSFET管L1的漏极电压映射到GaN FET管F1的栅极，防止LVMOSFET管L1开通前GaN FET管F1处于打开状态而导致LVMOSFET管L1承受高压而损坏。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中电路的示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种常开型GaN FET的直接驱动电路，如图1所示，包括驱动输入模块1、LVMOS驱动模块2、欠压保护模块3、CSD模块4和过电流保护模块5，驱动输入模块1输出信号至LVMOS驱动模块2、CSD模块4和JFET管J1，欠压保护模块3和过电流保护模块5分别输出信号至驱动输入模块1，CSD模块4分别连接欠压保护模块3、LVMOS驱动模块2、JFET管J1的漏极和GaN FET管F1的栅极，JFET管J1的源极分别连接P型LVMOSFET管L1的漏极和欠压保护模块3，P型LVMOSFET管L1的源极分别连接欠压保护模块3和GaN FET管F1的源极，P型LVMOSFET管L1的栅极连接LVMOS驱动模块2，GaN FET管F1的漏极连接过电流保护模块5。
驱动输入模块1包括光耦合器OC1和光耦合器OC2，光耦合器OC1的输入端、光耦合器OC2的输出端分别连接控制单元。
欠压保护模块3包括欠压锁定单元UVLO，欠压锁定单元UVLO的输出端连接驱动输入模块1中的控制单元，欠压锁定单元UVLO的正电压输入端分别连接CSD模块4中电容Cb的一端、LVMOS驱动模块2中N型MOSFET管M1的源极、线性调压器X1的正电压输入端、电容CVreg的一端、电容CVEE的一端、辅助电源FZ1的正电压输出端、GaN FET管F1的源极和P型LVMOSFET管L1的源极，欠压锁定单元UVLO的负电压输入端分别连接线性调压器X1的输出端、CSD模块4中N型MOSFET管S2源极、LVMOS驱动模块2中N型MOSFET管M3的源极和电容CVreg的另一端，线性调压器X1的负电压输入端分别连接电容CVEE的另一端、二极管D3的阳极和辅助电源FZ1的负电压输出端，电容CVreg的另一端还连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极分别连接二极管D3的阴极和P型LVMOSFET管L1的漏极。
CSD模块4包括电容Cb，电容Cb的一端分别连接N型MOSFET管S1的漏极、LVMOS驱动模块2中N型MOSFET管M1的源极和欠压保护模块3中欠压锁定单元UVLO的正电压输入端，电容Cb的另一端连接电感Lr的一端，电感Lr的另一端分别连接N型MOSFET管S1的源极、N型MOSFET管S2的漏极、JFET管J1的漏极和GaN FET管F1的栅极，N型MOSFET管S2源极分别连接欠压保护模块3中线性调压器X1的输出端和电容CVreg的另一端以及LVMOS驱动模块2中N型MOSFET管M3的源极，N型MOSFET管S1的栅极和N型MOSFET管S2的栅极分别连接驱动输入模块1中的控制单元。
过电流保护模块5包括比较器B1，比较器B1的反相输入端连接驱动输入模块1中的控制单元，比较器B1的同相输入端通过电压源VREF接地，比较器B1的同相输入端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端分别连接电阻R2的一端和电容C1的一端，电容C1的另一端接地，电阻R2的另一端分别连接电阻R1的一端、二极管Dtest的阳极和二极管D1的阳极，电阻R1的另一端连接二极管D1的阴极，二极管Dtest的阴极连接GaN FET管F1的漏极。
LVMOS驱动模块2包括反相器FF1，驱动输入模块1的控制单元输出信号至反相器FF1的输入端，反相器FF1的第一反相输出端连接P型MOSFET管M1的栅极，反相器FF1的第二反相输出端连接N型MOSFET管M3的栅极，反相器FF1的输出端连接N型MOSFET管M2的栅极，N型MOSFET管M2的源极连接N型MOSFET管M3的漏极，N型MOSFET管M1的漏极连接电阻Rg1的一端，电阻Rg1的另一端连接P型LVMOSFET管L1的栅极，N型MOSFET管M1的源极分别连接N型MOSFET管M2的漏极、欠压保护模块3中欠压锁定单元UVLO的正电压输入端和CSD模块4中电容Cb的一端。
下面介绍一下本电路的工作原理：
1、正常启动：输入脉冲信号通过光耦合器OC2输入，当输入脉冲信号超过阈值电压时，表示可以开通GaN FET管F1。输入脉冲信号传输到控制单元后，如果控制单元同时接受到欠压保护模块3和过电流保护模块5释放的信号并判断为“正常状态”后，则分别传送脉冲信号给P型LVMOSFET管L1和CSD模块4的驱动器，否则控制单元将忽略输入脉冲信号。控制单元首先发送脉冲信号给P型LVMOSFET管L1的驱动器，P型LVMOSFET管L1率先通过其拉罐驱动电路导通。需要补充说明的是，P型LVMOSFET管L1的拉罐驱动电路中，驱动PMOS-M1的两端并联了一个驱动NMOS-M2，这个NMOS可以弥补PMOS性能不足的缺点，达到快速驱动的目的。当拉罐驱动电路的输出电压达到P型LVMOSFET管L1的阈值电压时，经过设定好的延迟时间，控制单元传送脉冲信号给CSD模块4。CSD模块4通过N型MOSFET管S1和N型MOSFET管S2的互补通断，利用谐振电感的电流峰值部分来驱动GaN FET管F1，加速充放电过程，减少开关时间和开关损耗，回收驱动能量。此外，辅助电源的正电源输出端给两个驱动电路提供VCC，为了快速驱动，辅助电源会先提供一个较高的正向电压，短暂延迟后(约10ns)再降为较低的正向电压，既能保证开关器件栅极和源极间不会流通很大电流导致发热严重，又能利用高电压(电流)加速开通过程。
2、正常关断：当输入脉冲信号低于阈值电压，控制单元首先发送信号给GaNFET管F1的驱动器将其关断，经过延迟后，控制单元发送信号给P型LVMOSFET管L1的驱动器将其关断。
3、欠压保护：辅助电源向线性调压器提供负压，线性调压器根据支撑电容器的大小和负压的斜坡速率得到一个输出电压VREG传输给欠压锁定单元UVLO，当VREG达到欠压锁定单元UVLO的阈值时，欠压锁定单元UVLO释放信号给控制单元，允许控制单元向驱动器发送脉冲信号。如果|VREG|低于欠压锁定单元UVLO的阈值，欠压锁定单元UVLO发出“错误”信号给控制单元，则控制单元不仅忽略原脉冲输入信号，还将通过反馈通道的光耦合器OC1控制脉冲发生器发出闭锁脉冲，从而确保开关器件的关闭。此外，线性调压器为驱动器提供了精准的电源电压，并将驱动器电源电压与低侧开关的公共电源电压分开，因此所有低侧开关均可由负电源供电。
4、自夹断：如果驱动器的辅助电源由于故障没有启动，由于GaN FET管F1的常开性和P型LVMOSFET管L1的常关性，主电路电压将被P型LVMOSFET管L1阻断，P型LVMOSFET管L1的漏源电压Vds通过JFET管J1镜像到GaN FET管F1的栅源极，直到电平达到GaN FET管F1的夹断电压，从而将GaN FET管F1关断，由GaN FET管F1来阻断主电路电压。JFET管J1直接受控制单元控制，当P型LVMOSFET管L1处于关断状态时，控制单元控制JFET管J1导通，当P型LVMOSFET管L1处于导通状态时，控制单元控制JFET管J1关断。当GaN FET管F1被夹断时，GaN FET管F1中仍然有小电流通过，给支撑电容CVEE和CVreg充电，通过这种方式，GaN FET管F1可以作为线性稳压器，在夹断电压下为驱动器的输出级供电。一旦辅助电源恢复，其电压大于夹断电压，辅助电源将对支撑电容充电，当达到欠压锁定电平时，GaN FET管F1保持关断，P型LVMOSFET管L1导通，电路可以正常工作。该工况下，CVreg、CVEE将会被充电，如果没有续流二极管D2和D3，充电电流可能会通过M3和S2的体二极管流向GaN FET管F1和P型LVMOSFET管L1的栅极，导致误开通，而续流二极管D2和D3的存在可以有效避免这种情况。
5、过电流保护：当GaN FET管F1开通之后，其工作点位于可变电阻区，发生故障时，电流超过定值，工作点移动至饱和区，在此过程中电压Vds会不断升高。当GaN FET管F1开通且电路正常时，PWM buffer output输出高电平，传感二极管Dtest正向偏置，电流经电阻R1流入GaN FET管F1。由于R1选择得比较大，所以流入GaN FET管F1的电流很小，可以忽略。当GaNFET管F1关断且电路正常时，PWM buffer output输出低电平，传感二极管Dtest反向截止，电容C1将通过电阻R2和续流二极管D1进行放电。当GaN FET管F1开通且电路异常时，流过器件的电流增加发生过流现象，GaN FET管F1的漏源电压升高，Dtest反向截止，此时由于PWMbuffer output输出高电平，则C1将通过R1和R2充电，当VC1大于基准电压时将会触发比较器给控制单元发出“故障”信号，控制单元将通过反馈通道的光耦合器OC1控制脉冲发生器发出闭锁脉冲，从而确保开关器件的关闭。限流电阻R3的存在，是为了防止：由于C1两端过电压导致电流过大损坏比较器B1的现象。
6、GaN FET管F1与P型LVMOSFET管L1的栅极互锁：只有当P型LVMOSFET管L1导通时，才能接通GaN FET管F1，否则会产生过电压损坏P型LVMOSFET管L1。为了确保电路正常工作，控制单元监控P型LVMOSFET管L1栅极电压和GaN FET管F1的栅极电压，只有当P型LVMOSFET管L1导通时，控制单元才发出允许GaN FET管F1导通的信号；类似的，只有当GaN FET管F1处于关断状态时才允许P型LVMOSFET管L1关断。

Claims (6)

1.一种常开型GaN FET的直接驱动电路，其特征在于：包括驱动输入模块(1)、LVMOS驱动模块(2)、欠压保护模块(3)、CSD模块(4)和过电流保护模块(5)，驱动输入模块(1)输出信号至LVMOS驱动模块(2)、CSD模块(4)和JFET管J1，欠压保护模块(3)和过电流保护模块(5)分别输出信号至驱动输入模块(1)，CSD模块(4)分别连接欠压保护模块(3)、LVMOS驱动模块(2)、JFET管J1的漏极和GaN FET管F1的栅极，JFET管J1的源极分别连接P型LVMOSFET管L1的漏极和欠压保护模块(3)，JFET管J1的栅极连接至驱动输入模块(1)的控制单元，P型LVMOSFET管L1的源极分别连接欠压保护模块(3)和GaN FET管F1的源极，P型LVMOSFET管L1的栅极连接LVMOS驱动模块(2)，GaN FET管F1的漏极连接过电流保护模块(5)。
2.根据权利要求1所述的常开型GaN FET的直接驱动电路，其特征在于：所述驱动输入模块(1)包括光耦合器OC1和光耦合器OC2，光耦合器OC1的输入端、光耦合器OC2的输出端分别连接控制单元。
3.根据权利要求1所述的常开型GaN FET的直接驱动电路，其特征在于：所述欠压保护模块(3)包括欠压锁定单元UVLO，欠压锁定单元UVLO的输出端连接驱动输入模块(1)，欠压锁定单元UVLO的正电压输入端分别连接CSD模块(4)、LVMOS驱动模块(2)、线性调压器X1的正电压输入端、电容CVreg的一端、电容CVEE的一端、辅助电源FZ1的正电压输出端、GaN FET管F1的源极和P型LVMOSFET管L1的源极，欠压锁定单元UVLO的负电压输入端分别连接线性调压器X1的输出端、CSD模块(4)、LVMOS驱动模块(2)和电容CVreg的另一端，线性调压器X1的负电压输入端分别连接电容CVEE的另一端、二极管D3的阳极和辅助电源FZ1的负电压输出端，电容CVreg的另一端还连接二极管D2的阳极，二极管D2的阴极分别连接二极管D3的阴极和P型LVMOSFET管L1的漏极。
4.根据权利要求1所述的常开型GaN FET的直接驱动电路，其特征在于：所述CSD模块(4)包括电容Cb，电容Cb的一端分别连接N型MOSFET管S1的漏极、LVMOS驱动模块(2)和欠压保护模块(3)，电容Cb的另一端连接电感Lr的一端，电感Lr的另一端分别连接N型MOSFET管S1的源极、N型MOSFET管S2的漏极、JFET管J1的漏极和GaN FET管F1的栅极，N型MOSFET管S2源极分别连接欠压保护模块(3)和LVMOS驱动模块(2)，N型MOSFET管S1的栅极和N型MOSFET管S2的栅极分别连接驱动输入模块(1)。
5.根据权利要求1所述的常开型GaN FET的直接驱动电路，其特征在于：所述过电流保护模块(5)包括比较器B1，比较器B1的输出端连接驱动输入模块(1)，比较器B1的反相输入端通过电压源VREF接地，比较器B1的同相输入端连接电阻R3的一端，电阻R3的另一端分别连接电阻R2的一端和电容C1的一端，电容C1的另一端接地，电阻R2的另一端分别连接电阻R1的一端、二极管Dtest的阳极和二极管D1的阳极，电阻R1的另一端连接二极管D1的阴极，二极管Dtest的阴极连接GaN FET管F1的漏极。
6.根据权利要求1所述的常开型GaN FET的直接驱动电路，其特征在于：所述LVMOS驱动模块(2)包括反相器FF1，驱动输入模块(1)输出信号至反相器FF1的输入端，反相器FF1的第一反相输出端连接P型MOSFET管M1的栅极，反相器FF1的第二反相输出端连接N型MOSFET管M3的栅极，反相器FF1的输出端连接N型MOSFET管M2的栅极，N型MOSFET管M2的源极连接N型MOSFET管M3的漏极，N型MOSFET管M1的漏极连接电阻Rg1的一端，电阻Rg1的另一端连接P型LVMOSFET管L1的栅极，N型MOSFET管M1的源极分别连接N型MOSFET管M2的漏极、欠压保护模块(3)和CSD模块(4)。
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