CN109067228A - 一种基于氮化镓功率器件的驱动器及印刷电路布局 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于氮化镓功率器件的驱动器及印刷电路布局，氮化镓功率晶体管和驱动芯片之间的电阻R2、电阻R1、变阻抗高频抑制器、稳压二极管和尖峰吸收模块；电阻R2并联于的输出端，电阻R1与变阻抗高频抑制器串联与氮化镓功率晶体管de栅极连接，稳压二极管与电阻R1及变阻抗高频抑制器并联后连接与驱动芯片的输出端GND端；尖峰吸收模块并联于氮化镓功率晶体管输出端的漏极与源极。本发明能够在保证稳定驱动氮化镓功率器件的同时，缩减驱动电路的元器件使用数量，降低驱动电路的成本，同时能够抑制氮化镓功率晶体管高频工作下栅极驱动振荡、降低氮化镓功率晶体管开关过程的电压尖峰等问题。
Description
技术领域
本发明属于功率变换领域，特别是DC-AC两电平单相、三相逆变功率变换技术领域，涉及一种基于氮化镓功率器件的驱动器及印刷电路布局。
背景技术
功率变换应用领域中提高功率器件的开关频率能够有效降低能量变换输出谐波，获得更好的能量输出，达到更高精度的控制效果，但是传统硅功率器件的反向恢复能量高，极大增加了功率变换过程中的能量损耗，降低了功率变换的效率；同时，功率变换的应用环境也存在高温等恶劣工况，在这种环境下，传统硅功率器件的应用收到了一定的限制，高温下降额输出，导致功率变换效率降低。
随着现代功率器件的发展，高效率、高频、高温、高功率密度是功率器件发展的必然方向，而在此需求下传统硅材料的电力电子功率器件逐步无法满足电力电子、功率半导体的要求，宽禁带功率半导体成为替代传统硅器件的理想材料。
以碳化硅和氮化镓为代表的功率半导体器件打破了现有半导体的格局，耐压高、高电子迁移率和导热性能好以及抗干扰能力强等突出优点使得宽禁带半导体逐步应用到更加广泛的领域中，比如：航空航天、军事、射频、无线充电和医疗设备等领域中。
目前，高压氮化镓功率器件的耐压能力均可达到650V，最大漏极电流能力在50A左右，在在中小功率领域具有较大应用潜力。
应用氮化镓功率器件虽然可提高功率变换中开关频率，但是快速的开关过程意味着更高的瞬时变化量dv/dt、di/dt，这就表明氮化镓功率器件对印刷电路板及功率回路的杂散电感、寄生参数更加敏感，驱动过程中容易发生振荡，振荡有可能导致驱动失控，器件漏源极两端过压击穿或者器件一个桥臂间直通过流，这种工况下器件无法正常工作甚至造成永久性损坏。
公开号为CN105896992A，申请日为2016年5月27日，公布日为2016年8月24日的中国专利，提出一种氮化镓功率器件的超高频驱动方法，该专利要求的驱动方法从系统上阐述了超高频下栅极(门极)驱动方式及控制方法，但针对于氮化镓功率器件在高频工作下由于印制电路板和系统线路的寄生参数所带来的开关干扰、栅极振荡等问题并未提出有效的解决方案。
公开号为CN102611288A，申请日为2012年3月19日，公布日为2012年7月25日的中国专利，提出一种氮化镓功率晶体管的三电平驱动方法，该专利针对氮化镓功率晶体管在反向导通机制下导通压降大的问题，降低反向导通损耗，能够在一定程度上提高变换器的工作效率，但是针对驱动方式和公开号为CN105896992A存在相似的问题，在此不再赘述。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于氮化镓功率器件的驱动器及印刷电路布局，运用氮化镓功率器件进行DC-AC功率变换，提出一种降低氮化镓功率器件门极振荡的电路和对应的印制电路板器件布局布线方法。
技术方案
一种基于氮化镓功率器件的驱动器，包括氮化镓功率晶体管和驱动芯片，其特征在于还包括设于氮化镓功率晶体管和驱动芯片之间的第一电阻R2、第二电阻R1、变阻抗高频抑制器、稳压二极管和尖峰吸收模块；第一电阻R2并联于的输出端，第二电阻R1与变阻抗高频抑制器串联与氮化镓功率晶体管de栅极连接，稳压二极管与第二电阻R1及变阻抗高频抑制器并联后连接与驱动芯片的输出端GND端；尖峰吸收模块并联于氮化镓功率晶体管输出端的漏极与源极；所述变阻抗高频抑制器采用磁珠；所述尖峰吸收模块采用R3与C1的串联电路。
所述R3＝((2～4)×535)×Iα，C1＝(2～4)×10-8×Iα，其中Iα＝0.367*Id，Id为功率器件工作电流。
一种采用所述基于氮化镓功率器件的驱动器构成的桥臂，其特征在于：将两个驱动器构成一个桥臂时，在桥臂两端连接一个或多个吸收电容。
一种采用所述桥臂构成多相逆变电路，其特征在于：将n个桥臂构成逆变电路时，在每个桥臂两端连接一个或多个吸收电容；所述n≥2。
一种实现所述基于氮化镓功率器件的驱动器的印制电路板的布局，其特征在于：以驱动芯片为起点，在驱动芯片对应的控制输出管脚右端，电阻R1与磁珠FB1串联放置在同一排，在这一排上部放置电阻R2和稳压二极管组成的一排，在稳压二极管的右端为电容C1和电阻R3串联组成的一排，磁珠FB1的右部为氮化镓器件Q1的栅极，在印制电路板的侧边设有输入输出端子P1、P2和P3。
当构成所述的桥臂时的布局，上下桥臂驱动部分器件放置相同，氮化镓器件上下桥臂靠近放置，两个器件的RC吸收电路器件分别放置在桥臂的上下两侧，在桥臂的右侧放置吸收电容C3。
当构成所述的单相逆变电路的布局，两个氮化镓器件桥臂与母线正负连接时，各个桥臂分别通过次线与主母线正、负连接。
当构成所述的多相逆变电路的布局，每个氮化镓器件桥臂与母线正负连接时，各个桥臂分别通过次线与主母线正、负连接。
有益效果
本发明提出的一种基于氮化镓功率器件的驱动器及印刷电路布局，在运用氮化镓功率器件进行DC-AC功率变换，提出一种降低氮化镓功率器件门极振荡的电路和对应的印制电路板器件布局布线方法，应用范围为单相、三相逆变等氮化镓功率器件高频开关驱动应用，针对氮化镓功率器件在中小功率驱动中器件开关造成的电压尖峰及输出振荡等问题，有效抑制高频驱动时栅极振荡，降低氮化镓功率器件开通、关断器件的电压尖峰，保证氮化镓功率器件正常、可靠工作。
本发明能够在保证稳定驱动氮化镓功率器件的同时，缩减驱动电路的元器件使用数量，降低驱动电路的成本，同时能够抑制氮化镓功率晶体管高频工作下栅极驱动振荡、降低氮化镓功率晶体管开关过程的电压尖峰等问题。
附图说明
图1本发明电路示意图；
图2本发明电路实施实例一图；
图3本发明电路实施组成一个桥臂图；
图4本发明电路实施组成单相两电平的原理图；
图5本发明电路实施组成三相两电平的原理图；
图6本发明实施单相两电平印制电路板布局布线示意图；
图7本发明实施三相两电平印制电路板布局布线示意图；
图8本发明电路实施实测波形图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
首先，氮化镓功率晶体管高频栅极的驱动方式，其特征是在驱动芯片的控制波输出端口通过下拉电阻保证驱动可靠到地、钳位二极管保证驱动电压在正常工作范围内、驱动芯片输出端靠近氮化镓功率器件的栅极采用变阻抗高频抑制器来吸收栅极驱动线路上的干扰，保证在低频率驱动下正常工作，高频率信号干扰下吸收干扰以降低驱动高频尖峰干扰以防止氮化镓功率晶体管误导通，并且在开关管漏源极两端尖峰吸收模块吸收由氮化镓功率器件开通关断造成的电压尖峰。
氮化镓功率器件的栅极驱动电路包括：氮化镓功率晶体管、栅极驱动芯片、栅极输出线路电阻、稳压二极管、变阻抗高频抑制器和尖峰吸收模块。
变阻抗高频抑制器，其主要特性为：在低频下呈现很低的阻抗特性，等效电路之一可化简为阻值较小的电阻，在高频下呈现出较高的阻抗特性，其等效电路之一可看为电感L和电阻R的串联电路，能够吸收超高频信号，降低电磁辐射干扰，特别是针对氮化镓功率晶体管的高频驱动工况，能够有效地抑制高频信号下振荡等干扰。
对于单个氮化镓功率晶体管的驱动而言，从驱动芯片的控制波输出端口先经过一个下拉电阻保证无驱动波输出时电平可靠为低电平，然后经过一个串联电阻保证驱动电流在合适范围内，一个双向钳位二极管将驱动波的驱动电压钳位至正常应用范围内，重要的是，紧靠着氮化镓晶体管器件的栅极是变阻抗高频抑制器，用来吸收驱动信号的高频干扰噪声，从而保证驱动信号的可靠稳定，同时，氮化镓功率晶体管的漏源两端加上一个尖峰吸收模块，吸收器件工作通断造成的电压尖峰。
对于功率开关器件而言，衡量其特性的一个重要指标为dv/dt和di/dt，dv/dt指标表明了功率器件在额定结温和栅极断路的条件下，功率开关器件由断态转入通态的电压上升率；di/dt指标表明了功率开关器件由开通状态转入端态的电流变化率，这两个瞬态变化量在杂散参数的作用下会产生过高电压尖峰和较大的电流，严重影响了开关器件的正常工作。
在氮化镓功率晶体管的漏源极之间并联一个加上一个尖峰吸收模块有效吸收氮化镓功率晶体管开通、关断过程中的电压尖峰。
当应用氮化镓功率晶体管上下串联组成一个桥臂工作时，除了上段所述每个氮化镓功率器件漏源极并联的尖峰吸收模块之外，桥臂同样需要并联尖峰吸收模块，此尖峰吸收模块可有效吸收桥臂上器件开关造成的电压尖峰，保证氮化镓功率晶体管的稳定工作，降低电压输出谐波。
同样地，该发明提出一种关于氮化镓功率器件的印制电路板器件布局布线方法，其主要特征包括：在单相逆变应用中，首要地，按照线路输出走向对元器件进行依次摆放，缩短驱动芯片信号输出端到氮化镓功率器件栅极的距离，同时驱动信号的走线需要适当情况下增加宽度以降低线路的阻抗；在氮化镓栅极管脚前放置变阻抗高频抑制器用以滤除由线路杂散电感等寄生参数造成的高频影响；各个氮化镓功率器件与母线通过分离的走线进行连接，氮化镓功率器件与功率母线连接时采用“水流汲取法”布线，即保证降低母线正负走线间分布电容的同时，降低不同桥臂间的串扰；每桥臂吸收电容和每器件尖峰吸收模块靠近功率器件的管脚，并且通过铺铜打孔形式与母线正、负连接，降低线路寄生参数带来的影响；在三相逆变应用中对于功率部分保证和单相逆变相同的处理相同，对于三相输出采用宽体走线以满足电流需求为主，特别是防止三相输出间互相串扰而造成系统的振荡。
具体实施例：
图1为本发明电路图，该电路包括驱动芯片、第一电阻R1、第二电阻R2、变阻抗高频抑制器、氮化镓功率晶体管、第一稳压二极管ZN1和尖峰吸收模块；所述的驱动芯片输出端连接至所述的第一电阻R1和所述的第二电阻R2的一端，所述的第一电阻R1的另外一端连接至所述的变阻抗高频抑制器和所述的第一稳压二极管的一端，所述的变阻抗高频抑制器的另外一端连接至所述的氮化镓功率晶体管的栅极；然后所述的第二电阻R2的另外一端与所述的第一稳压二极管ZN1的另外一端共同连接至所述氮化镓功率晶体管的源极；所述的尖峰吸收模块一端连接至氮化镓晶体管的漏极，另外一端连接至所述的氮化镓功率晶体管的源极。
图2为本发明的其中实施示意图，该电路包括驱动芯片、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一磁珠FB1、氮化镓功率晶体管、第一电容C1和第一稳压二极管ZN1；所述的驱动芯片输出端连接至所述的第一电阻R1和所述的第二电阻R2的一端，所述的第一电阻R1的另外一端连接至所述的第一磁珠FB1和所述的第一稳压二极管的一端，所述的第一磁珠FB1的另外一端连接至所述的氮化镓功率晶体管的栅极；然后所述的第二电阻R2的另外一端与所述的第一稳压二极管ZN1的另外一端共同连接至所述氮化镓功率晶体管的源极；所述的第三电阻R3一端与所述的第一电容C1的一端连接，所述的第三电阻R3的另外一端连接至氮化镓晶体管的漏极，所述的第一电容C1的另外一端连接至所述的氮化镓功率晶体管的源极。
该电路的工作原理是：当驱动芯片的输出端输出控制波为高电平时，经过所述下拉电阻R2稳定至高电平，然后通过限流电阻R1调整对氮化镓功率晶体管栅极的充电电流大小，稳压二极管ZN1保证输出的驱动波电压值稳定在固定范围内，所述的磁珠FB1用于滤除驱动线路上的高频信号，保证驱动波的可靠稳定；所述的电阻R3和电容C1串联组成一个RC吸收电路用于吸收氮化镓功率晶体管的漏源极间的电压尖峰，在这种电路形式下可以保证芯片的输出控制波能够稳定可靠，降低线路上的高频干扰，保证氮化镓功率晶体管的正常工作。
RC吸收电路选择参考原则：
电阻阻值R3＝((2～4)×535)×Iα，其中Iα＝0.367*Id；
电容容值C1＝(2～4)×10-8×Iα，其中Iα＝0.367*Id，Id为功率器件工作电流；
阻容吸收回路在实际应用电路中，其时间常数RC通常取1～10ms；
在材质选择上，电阻一般选取金属膜或者水泥电阻，电容一般选取CBB或其他耐压对应的高频电容器。
此吸收电容参考选取为高频特性较好的薄膜电容，容值在0.01uF～1.0uF，根据实际应用灵活选取
图2为设计电路组成一个桥臂时的应用典例，这是两组电路串联组成一个桥臂，相比图1增加了直流电源DC和吸收电容C3，所述的吸收电容C3两端分别与直流电源DC的正负两端相连接。
图3为该发明电路设计为单相两电平逆变应用电路图，与图2相比，这是由两个桥臂并联组成；其中引出输出端子out1和out2。
图4为该发明电路设计为三相两电平逆变应用电路图，与图3相比，这是由三个桥臂并联组成；其中引出输出端子U、V、W。
图5为本发明电路单相逆变应用时的印制电路板器件布局布线示意图，其中驱动芯片控制输出端至氮化镓功率器件的走线保证距离最短，以所述驱动芯片为起点，在驱动芯片对应的控制输出管脚右端，所述的第一电阻R1与第一磁珠FB1串联放置在同一排，在这一排上部放置所述电阻R2和稳压二极管ZN1组成一排，在靠近稳压二极管ZN1的右端为第一电容C1和电阻R3串联组成一排，靠近所述第一磁珠FB1的右端为氮化镓功率器件Q1的栅极；这是一个桥臂应用中的上管布局方式，下管布局为：所述的电阻R4与磁珠FB3串联放置在同一排，在这一排下部放置所述电阻R5和稳压二极管ZN2组成一排，在靠近稳压二极管ZN2的右端为电容C2和电阻R6串联组成一排，靠近所述磁珠FB3的右端为氮化镓功率器件Q2的栅极；靠近上管与下管的右部为电容C3，同时包括接插件P1、P2和P3。
桥臂1与桥臂1_1组成单项逆变功率侧，在母线端走线将母线分为主、次两条走线，每个氮化镓功率器件与母线正、负连接通过次线连接至主线，保证桥臂间相同功率走线分开。
图6为本发明电路三相逆变应用时印制电路板器件布局布线示意图，与单相逆变相比增加一个氮化镓功率桥臂，在与母线连接时同样采取依次通过次线连接至主线的形式走线。
图7为在该电路下实测氮化镓功率晶体管工作波形，图中所标记的Vgs即为驱动波形，Vds为氮化镓功率晶体管漏源极电压波形，从图中可已看出在此电路中波形效果较好，开通关断电压波形毛刺很小，达到实际应用需求。
实验条件：直流电压200V，两次方波时间分别20us和10us，驱动电压10V，电阻R1取值2Ω，R2取值10K，FB1为磁珠，特性为100MH时阻值60Ω，电阻R3为10Ω，电容为100pF，驱动芯片为SI8230，氮化镓功率晶体管为TPH3206。
Claims (7)
1.一种基于氮化镓功率器件的驱动器，包括氮化镓功率晶体管和驱动芯片，其特征在于还包括设于氮化镓功率晶体管和驱动芯片之间的第一电阻R2、第二电阻R1、变阻抗高频抑制器、稳压二极管和尖峰吸收模块；第一电阻R2并联于的输出端，第二电阻R1与变阻抗高频抑制器串联与氮化镓功率晶体管de栅极连接，稳压二极管与第二电阻R1及变阻抗高频抑制器并联后连接与驱动芯片的输出端GND端；尖峰吸收模块并联于氮化镓功率晶体管输出端的漏极与源极；所述变阻抗高频抑制器采用磁珠；所述尖峰吸收模块采用RC串联电路。
2.根据权利要求1所述的基于氮化镓功率器件的驱动器，其特征在于：所述R3＝((2～4)×535)×Iα，C1＝(2～4)×10-8×Iα，其中Iα＝0.367*Id，Id为功率器件工作电流。
3.一种采用权利要求1或2所述基于氮化镓功率器件的驱动器构成的桥臂，其特征在于：将两个驱动器构成一个桥臂时，在桥臂两端连接一个或多个吸收电容。
4.一种采用权利要求3所述桥臂构成多相逆变电路，其特征在于：将n个桥臂构成逆变电路时，在每个桥臂两端连接一个或多个吸收电容；所述n≥2。
5.一种实现权利要求1所述基于氮化镓功率器件的驱动器的印制电路板的布局，其特征在于：以驱动芯片为起点，在驱动芯片对应的控制输出管脚右端，电阻R1与磁珠FB1串联放置在同一排，在这一排上部放置电阻R2和稳压二极管组成的一排，在稳压二极管的右端为电容C1和电阻R3串联组成的一排，磁珠FB1的右部为氮化镓器件Q1的栅极，在印制电路板的侧边设有输入输出端子P1、P2和P3。
6.根据权利要求5所述的布局，其特征在于：当构成权利要求3所述的桥臂时的布局，上下桥臂驱动部分器件放置相同，氮化镓器件上下桥臂靠近放置，两个器件的RC吸收电路器件分别放置在桥臂的上下两侧，在桥臂的右侧放置吸收电容C3。
7.根据权利要求5所述的布局，其特征在于：当构成权利要求2所述的多相逆变电路的布局，每个氮化镓器件桥臂与母线正负连接时，各个桥臂分别通过次线与主母线正、负连接。
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