CN110048699B - 一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路，属于宽禁带半导体功率器件驱动技术领域，特别是涉及增强型GaN器件桥式电路串扰抑制方法。解决了使用GaN功率器件的桥式电路拓扑中，由于GaN功率器件开关速度非常快，在桥式电路拓扑中使用传统的驱动方式难以抑制串扰尖峰电压的问题。本发明包括两个典型驱动电路，且两个典型驱动电路分别用于对GaN半桥模块上桥臂中的功率开关管Q1和下桥臂的功率开关管Q2进行驱动；还包括两个辅助电路，两个辅助电路分别叠加在两个典型驱动电路后，抑制GaN半桥模块中上、下桥臂串扰尖峰电压。本发明主要用于对GaN半桥模块进行驱动。

Description

一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路
技术领域
本发明属于宽禁带半导体功率器件驱动技术领域，特别是涉及增强型GaN器件桥式电路串扰抑制方法。
背景技术
以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体功率器件因为其高开关速度，高工作频率，低导通电阻和更小的体积而成为高频，高功率密度，高效率电力电子变换器的理想开关器件，越来越多的应用到中高端变换器中。传统的IGBT与MOSFET功率器件由于开关时间较长并且存在反向恢复损耗因而产生了较大的开关损耗，进而降低了变换器效率，导致散热问题与低功率密度问题。而GaN功率器件因为没有反向恢复损耗，相较于IGBT与MOSFET更适合用于桥式拓扑中，采用GaN功率器件代替相同功率等级的硅基半导体器件，变换器体积可以减小约80％，重量减轻约70％，并且可以大幅提高变换器效率，这对于节约材料成本以及节约能源有重大意义。
GaN功率器件相对于硅基半导体器件有众多性能优势，但目前GaN功率器件因其高开关速度带来的高dv/dt和di/dt以及较小的栅源极安全电压范围，其驱动设计存在很大挑战性，限制了其进一步推广。在基于GaN器件的桥式电路应用中，GaN器件分为主开关管和续流管，在主开关管导通和关断时，由于主开关管和续流管之间会发生换流过程，强迫续流管两端电压发生变化，造成米勒电容充放电，该现象会耦合到续流管驱动回路中。由于驱动电阻和电路寄生参数的存在，会在栅极产生正向或负向电压尖峰，这种现象称为串扰现象。随着GaN功率器件开关速度加快，桥式电路受到寄生参数影响更加明显，串扰现象更加严重。而GaN功率器件正向阈值电压与负向安全电压较小，串扰问题引起的电压尖峰更容易造成开关器件误导通或者栅源极电压击穿。因此研究抑制GaN功率器件串扰尖峰电压的驱动策略有重要意义。
发明内容
本发明是为了解决使用GaN功率器件的桥式电路拓扑中，由于GaN功率器件开关速度非常快，在桥式电路拓扑中使用传统的驱动方式难以抑制串扰尖峰电压的问题，本发明提供了一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路，该驱动电路在抑制尖峰电压的同时，不影响GaN器件的开关速度，维持较低的开关损耗。
一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路，包括用于对GaN半桥模块上桥臂中的功率开关管Q1进行驱动的上桥臂典型驱动电路和用于对GaN半桥模块下桥臂的功率开关管Q2进行驱动的下桥臂典型驱动电路；
还包括两个辅助电路，且两个辅助电路分别用于抑制GaN半桥模块中上、下桥臂串扰尖峰电压。
优选的是，上桥臂典型驱动电路和下桥臂典型驱动电路共用一个驱动芯片；
上桥臂典型驱动电路包括电容C1、电阻R2和电阻R3；
下桥臂典型驱动电路包括电容C2、电阻R5和电阻R6；
两个辅助电路分别为第一辅助电路和第二辅助电路，其中，第一辅助电路用于抑制GaN半桥模块上桥臂尖峰电压，第二辅助电路用于抑制GaN半桥模块下桥臂尖峰电压；
第一辅助电路包括辅助电阻R1、辅助二极管D1和辅助二极管Df1；
第二辅助电路包括辅助电阻R4、辅助二极管D2和辅助二极管Df2；
驱动芯片的第一驱动信号输出引脚VOA与辅助电阻R1的一端和电阻R2的一端的同时连接，辅助电阻R1的另一端和辅助二极管D1的阴极连接；
辅助二极管D1的阳极、电阻R2的另一端、辅助二极管Df1的阴极和电阻R3的一端同时连接后，作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一驱动信号输出端，该抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一驱动信号输出端输出的第一驱动信号用于驱动GaN半桥模块上桥臂中的功率开关管Q1的栅极；
驱动芯片的第一接地引脚GNDA与辅助二极管Df1的阳极和电容C1的一端同时连接后，作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一负压电源输入端；
电容C1的另一端与电阻R3的另一端连接后，作为电源地GNDH；
驱动芯片的第二驱动信号输出引脚VOB与辅助电阻R4的一端和电阻R5的一端的同时连接，辅助电阻R4的另一端和辅助二极管D2的阴极连接；
辅助二极管D2的阳极、电阻R5的另一端、辅助二极管Df2的阴极和电阻R6的一端同时连接后，作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二驱动信号输出端，该抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二驱动信号输出端输出的第二驱动信号用于驱动GaN半桥模块下桥臂中的功率开关管Q2的栅极；
驱动芯片的第二接地引脚GNDB与辅助二极管Df2的阳极和电容C2的一端同时连接后，作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二负压电源输入端；
电容C2的另一端与电阻R6的另一端连接后，作为电源地GNDL；
驱动芯片的第一电源引脚VDDA和驱动芯片的第二电源引脚VDDB分别作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一正压电源输入端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二正压电源输入端。
优选的是，所述的一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路，还包括两个辅助电源单元，两个辅助电源单元均用于给驱动芯片提供电源，且两个辅助电源单元还分别用于给上、下桥臂典型驱动电路提供电源。
优选的是，给上桥臂典型驱动电路提供电源的单元为第一辅助电源单元，给下桥臂典型驱动电路提供电源的单元为第二辅助电源单元；
第一辅助电源单元包括第一隔离DC-DC变换器芯片、电容C3、电容C4、电容C5、电阻R7、电阻R8和稳压二极管Dz1；第一隔离DC-DC变换器芯片采用PES1-S5-S9型变换器芯片实现；
第一隔离DC-DC变换器芯片的+VO引脚同时与电容C3的一端、电阻R7的一端、稳压二极管Dz1的阴极、电容C4的一端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一正压电源输入端连接；
第一隔离DC-DC变换器芯片的0V引脚同时与电容C3的另一端、电阻R7的另一端、电阻R8的一端、电容C5的一端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一负压电源输入端连接；
稳压二极管Dz1的阳极与电阻R8的另一端、电容C4的另一端和电容C5的另一端同时连接后，作为电源地GNDH；
第二辅助电源单元包括第二隔离DC-DC变换器芯片、电容C6、电容C7、电容C8、电阻R9、电阻R10和稳压二极管Dz2；第二隔离DC-DC变换器芯片采用PES1-S5-S9型变换器芯片实现；
第二隔离DC-DC变换器芯片的+VO引脚同时与电容C6的一端、电阻R9的一端、稳压二极管Dz2的阴极、电容C7的一端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二正压电源输入端连接；
第二隔离DC-DC变换器芯片的0V引脚同时与电容C6的另一端、电阻R9的另一端、电阻R10的一端、电容C8的一端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二负压电源输入端连接；
稳压二极管Dz2的阳极与电阻R10的另一端、电容C7的另一端和电容C8的另一端同时连接后，作为电源地GNDL。
优选的是，驱动芯片采用Si8273型芯片实现。
优选的是，R2和R5满足如下条件：
Figure BDA0002067349450000041
Figure BDA0002067349450000042
其中，
Lcs1为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q1源极之间线路产生的寄生电感；
Lcs2为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q2源极之间线路产生的寄生电感；
Lg1为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q1栅极之间线路产生的寄生电感；
Lg2为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q2栅极之间线路产生的寄生电感；
Cgs1为功率开关管Q1栅极与源极间的寄生电容；
Cgs2为功率开关管Q2栅极与源极间的寄生电容。
优选的是，R1和R4满足如下条件：
Figure BDA0002067349450000051
Figure BDA0002067349450000052
其中，
Vth1为功率开关管Q1的阈值电压；
Vth2为功率开关管Q2的阈值电压；
Lg1为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q1栅极之间线路产生的寄生电感；
Lg2为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q2栅极之间线路产生的寄生电感；
Cgd1为功率开关管Q1栅极与漏极间的寄生电容；
Cgd2为功率开关管Q2栅极与漏极间的寄生电容；
Figure BDA0002067349450000053
为微分符号；
Vdg1为功率开关管Q1漏极与栅极间的电压；
Vdg2为功率开关管Q2漏极与栅极间的电压；
VD1表示辅助二极管D1的正向导通电压；
VD2表示辅助二极管D2的正向导通电压；
Voff1表示功率开关管Q1处于关断状态时,驱动电路在功率开关管Q1栅源极施加的关断电压；
Voff2表示功率开关管Q2处于关断状态时,驱动电路在功率开关管Q2栅源极施加的关断电压。
本发明带来的有益效果是，本发明是基于在主开关管开关瞬间，引起续流管Miller电容充放电时，在传统典型驱动电路基础上，提出增加低正向导通压降二极管，为该电流提供额外低阻抗通路的方法，抑制了串扰尖峰电压，并且不影响主开关器件的导通与关断速度，维持了较小的开关损耗。
附图说明
图1为采用本发明所述的一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路对GaN半桥模块进行驱动的原理示意图；
图2为GaN半桥模块的下桥臂的功率开关管Q2作为主开关管时，开关过程中功率开关管Q1的Vgs1、Vds1、ids1波形变化及功率开关管Q2的Vgs2、Vds2、ids2波形变化示意图；
Vgs1为功率开关管Q1栅极与源极间的电压，
Vds1为功率开关管Q1漏极与源极间的电压，
ids1为功率开关管Q1漏极与源极间的电流；
Vgs2为功率开关管Q2栅极与源极间的电压，
Vds2为功率开关管Q2漏极与源极间的电压，
ids2为功率开关管Q2漏极与源极间的电流；
图3为功率开关管Q2导通或关闭过程中，GaN半桥模块中驱动电流和电感L电流的流向图；其中，
图3(a)为未加辅助电路时，功率开关管Q2开通过程中，GaN半桥模块中驱动电流和电感L电流的流向图，
图3(b)为未加辅助电路时，功率开关管Q2关断过程中，GaN半桥模块中驱动电流和电感L电流的流向图，
图3(c)为添加辅助电路后，功率开关管Q2开通过程中，GaN半桥模块中驱动电流和电感L电流的流向图，
图3(d)为添加辅助电路后，功率开关管Q2关断过程中，GaN半桥模块中驱动电流和电感L电流的流向图，
图3中4幅图对比说明本发明中抑制GaN半桥模块桥臂串扰的辅助电路工作原理；
图4为双脉冲测试电路测试抑制GaN半桥模块电压尖峰效果波形图；其中，双脉冲测试电路为基于Pspice仿真软件搭建采用GS66508B型功率器件实现的GaN半桥模块的双脉冲测试电路；图4中，横坐标表示时间跨度；
图4(a)为未加辅助电路时，GaN半桥模块上、下桥臂串扰电压尖峰的效果波形图；
图4(b)为添加辅助电路抑制GaN半桥模块上、下桥臂串扰电压尖峰电压后，测试波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路，包括两个典型驱动电路，且两个典型驱动电路分别用于对GaN半桥模块上桥臂中的功率开关管Q1和下桥臂的功率开关管Q2进行驱动；
还包括两个辅助电路，两个辅助电路分别叠加在两个典型驱动电路后，抑制GaN半桥模块中上、下桥臂串扰尖峰电压。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，所述的两个典型驱动电路共用一个驱动芯片，且两个典型驱动电路分别为第一典型驱动电路和第二典型驱动电路，其中，第一典型驱动电路用于对GaN半桥模块上桥臂中的功率开关管Q1进行驱动，第二典型驱动电路用于对GaN半桥模块的下桥臂的功率开关管Q2进行驱动；
第一典型驱动电路包括电容C1、电阻R2和电阻R3；
第二典型驱动电路包括电容C2、电阻R5和电阻R6；
两个辅助电路分别为第一辅助电路和第二辅助电路，其中，第一辅助电路用于抑制GaN半桥模块上桥臂尖峰电压，第二辅助电路用于抑制GaN半桥模块下桥臂尖峰电压；
第一辅助电路包括辅助电阻R1、辅助二极管D1和辅助二极管Df1；
第二辅助电路包括辅助电阻R4、辅助二极管D2和辅助二极管Df2；
驱动芯片的第一驱动信号输出引脚VOA与辅助电阻R1的一端和电阻R2的一端的同时连接，辅助电阻R1的另一端和辅助二极管D1的阴极连接；
辅助二极管D1的阳极、电阻R2的另一端、辅助二极管Df1的阴极和电阻R3的一端同时连接后，作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一驱动信号输出端，该抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一驱动信号输出端输出的第一驱动信号用于驱动GaN半桥模块上桥臂中的功率开关管Q1的栅极；
驱动芯片的第一接地引脚GNDA与辅助二极管Df1的阳极和电容C1的一端同时连接后，作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一负压电源输入端；
电容C1的另一端与电阻R3的另一端连接后，作为电源地GNDH；
驱动芯片的第二驱动信号输出引脚VOB与辅助电阻R4的一端和电阻R5的一端的同时连接，辅助电阻R4的另一端和辅助二极管D2的阴极连接；
辅助二极管D2的阳极、电阻R5的另一端、辅助二极管Df2的阴极和电阻R6的一端同时连接后，作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二驱动信号输出端，该抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二驱动信号输出端输出的第二驱动信号用于驱动GaN半桥模块下桥臂中的功率开关管Q2的栅极；
驱动芯片的第二接地引脚GNDB与辅助二极管Df2的阳极和电容C2的一端同时连接后，作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二负压电源输入端；
电容C2的另一端与电阻R6的另一端连接后，作为电源地GNDL；
驱动芯片的第一电源引脚VDDA和驱动芯片的第二电源引脚VDDB分别作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一正压电源输入端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二正压电源输入端。
本优选实施方式中，驱动芯片可采用Si8273型芯片实现。图1中介绍了本发明所述的一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的具体结构；辅助电源单元为驱动电路和GaN半桥模块中GaN功率器件的栅源极供电；驱动芯片隔离微控制器与GaN功率器件，并将信号放大后控制GaN功率器件；辅助电路用于抑制GaN半桥模块中主开关管Q1(Q2)开关瞬间在续流管Q2(Q1)上产生的尖峰电压。
以下桥臂GaN功率器件Q2为主开关器件，上桥臂GaN功率器件Q1为续流管，在下桥臂GaN开关瞬间引起上桥臂GaN器件Q1栅源极电压振荡为例，本发明GaN半桥模块工作过程中电压、电流波形如图2所示，抑制串扰尖峰的辅助电路工作原理如图3所示，具体为：
图2中，第一阶段(t0-t1)：驱动芯片输出Q2的驱动信号为高电平，Q2的栅源极电压从关断电压VEEL上升到阈值电压Vth，在此期间大部分门极电流充入电容Cgs2，少部分电流流入电容Cgd2，Vds2基本不变，Q1的Cgs1与Cgd1两端电压不变，辅助电路不工作，因此辅助电路不增加开通延时；
第二阶段(t1-t2)：Q2的栅源极电压由Vth2＝Vth上升到Miller平台电压Vgs2,miller，在此期间门极电流与第一阶段一致，流入Cgs2和Cgd2，Vgs2电压上升。此时两管发生换流，Q2管ids2迅速上升，Vds2保持在先前的水平。Q1管仍然反向续流，但是电流显著减小，Q1的Cgs1与Cgd1两端电压仍然保持不变，辅助电路不工作。
第三阶段(t2-t3)：Q2的栅源极电压达到Vgs2,miller后，ids2已经达到负载电流，Q1、Q2换流完成，此时驱动电流不流入Cgs2而全部流入Cgd2，使Cgd2两端电压下降，从而Q2的Vds2电压下降，同时Q1的Vds1上升，此时有Miller电流流过Q1的Cgd1，使其两端电压快速上升，Miller电流流过二极管与小电阻组成的低阻抗回路流入驱动芯片地引脚，电流方向如图3(c)所示，由于低阻抗回路的存在，抑制了Q1栅极电压的正向尖峰，Q2中由于驱动信号为高电平，二极管反偏，驱动电流不流过低阻抗回路，因此不增加开通损耗。
第四阶段(t3-t4)：Q2的Vds2降低到0后，驱动电流不再Cgd2充电，从而驱动电流全部流入Cgs2，使Q2栅源极电压从Vgs2,miller继续上升至与驱动芯片输出电压相等的电平，此时随着Vgs2的上升GaN器件的导通电阻减小，ids2不变，此过程中抑制串扰尖峰辅助电路中无电流流过，因此不会延长此时间使开通损耗增加。对于Q1，其漏源两端电压降低到0后，电容Cgd1中的电流经过短时振荡后，放电完成，将不再有电流流过抑制串扰尖峰电压的辅助电路，Q1栅极电压回归关断电压。
至此Q2开通过程结束，接下来介绍Q2关断过程。
第五阶段(t5-t6)：驱动芯片输出Q2驱动信号为低电平，Q2的栅源电压下降至米勒电压Vgs2,miller，Q2仍然导通，Vds2与ids2保持不变，Q1保持关断状态，Cds1两端维持高电压，此时辅助电路中没有电流流过，对关断延迟没有影响。
第六阶段(t6-t7)：Q2的Vgs2维持Miller电压不变，Vds2从0迅速上升至输出电压，与此同时Q1两端电压由输出电压迅速降低至0，Q1管Cgd1迅速放电，放电电流流向如图3(d)所示，Miller电流流过连接负压电容与GaN栅极的二极管，此回路阻抗远低于栅极驱动电阻，因此抑制了负向的串扰电压尖峰。Q2中由于驱动信号为低电平，二极管反偏，驱动电流流过与电阻串联的二极管，减小了关断电阻，加快关断速度，减小关断损耗。
第七阶段(t7-t8)：Q2的Vgs2从Miller电压下降至阈值电压Vth2，Q2中电流下降，Q1中有电流反向流过，Q1与Q2换流，Q1的Vds1降至0，Cgd1放电完成，驱动电路中无电流流过。
第八阶段(t8-t9)：Q2的Vgs2继续下降至关断电压VEEL，Q2可靠关断，Q1再次进入续流状态。
当Q1作为主开关管，Q2为续流管时工作模式与此相同，只将两管信号对调即可。
图1为GaN功率器件驱动回路示意图，其中R2为驱动电阻，Lcs1为驱动回路与功率回路的共源极电感，Lg1为栅极驱动回路的等效寄生电感，Cgs1为栅源极寄生电容，Cgd1为栅漏极寄生电容，Cds1为漏源极寄生电容。
由图1可知，在开关器件处于开通或关断时刻，驱动回路中的电感Lg、Lcs和栅源极电容Cgs形成LC谐振，门极驱动电流的大小由电感和电容构成的二阶差分方程决定，如下式所示。
Figure BDA0002067349450000101
若要使驱动回路不产生振荡，则Rg需要满足：
Figure BDA0002067349450000102
另外，如上所述，当开关器件作为续流管时，主开关管开通时会给续流管的Cgd电容充电，假设充电电流为imiller，则由于开通电阻和寄生电感的存在，会在栅源极之间产生正向电压尖峰，为保证续流管不会误开通，续流管驱动电阻应满足：
Figure BDA0002067349450000111
其中Voff为关断电压，VD为辅助二极管正向导通电压，根据
Figure BDA0002067349450000112
可得
Figure BDA0002067349450000113
主开关管关断时，关断电阻的低阻抗回路不起作用，添加由驱动芯片地引脚到GaN器件栅极的二极管来提供低阻抗回路。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式所述的一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路，还包括两个辅助电源单元，两个辅助电源单元均用于给驱动芯片提供电源，且两个辅助电源单元还分别用于给两个典型驱动电路提供电源。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，两个辅助电源单元分别定义为第一辅助电源单元和第二辅助电源单元，且第一辅助电源单元用于给第一典型驱动电路提供电源，第二辅助电源单元用于给第二典型驱动电路提供电源；
第一辅助电源单元包括第一隔离DC-DC变换器芯片、电容C3、电容C4、电容C5、电阻R7、电阻R8和稳压二极管Dz1；第一隔离DC-DC变换器芯片采用PES1-S5-S9型变换器芯片实现；
第一隔离DC-DC变换器芯片的+VO引脚同时与电容C3的一端、电阻R7的一端、稳压二极管Dz1的阴极、电容C4的一端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一正压电源输入端连接；
第一隔离DC-DC变换器芯片的0V引脚同时与电容C3的另一端、电阻R7的另一端、电阻R8的一端、电容C5的一端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一负压电源输入端连接；
稳压二极管Dz1的阳极与电阻R8的另一端、电容C4的另一端和电容C5的另一端同时连接后，作为电源地GNDH；
第二辅助电源单元包括第二隔离DC-DC变换器芯片、电容C6、电容C7、电容C8、电阻R9、电阻R10和稳压二极管Dz2；第二隔离DC-DC变换器芯片采用PES1-S5-S9型变换器芯片实现；
第二隔离DC-DC变换器芯片的+VO引脚同时与电容C6的一端、电阻R9的一端、稳压二极管Dz2的阴极、电容C7的一端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二正压电源输入端连接；
第二隔离DC-DC变换器芯片的0V引脚同时与电容C6的另一端、电阻R9的另一端、电阻R10的一端、电容C8的一端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二负压电源输入端连接；
稳压二极管Dz2的阳极与电阻R10的另一端、电容C7的另一端和电容C8的另一端同时连接后，作为电源地GNDL。
本优选实施方式中，给出的两个辅助电源单元的优点在于能够给上下桥臂两个功率器件Q1和Q2的驱动芯片和驱动电路提供可靠稳定的电源，并且该电源具备足够的隔离能力，防止功率侧噪声耦合到电源输入侧。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，R2和R5满足如下条件：
Figure BDA0002067349450000121
Figure BDA0002067349450000122
其中，
Lcs1为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q1源极之间线路产生的寄生电感；
Lcs2为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q2源极之间线路产生的寄生电感；
Lg1为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q1栅极之间线路产生的寄生电感；
Lg2为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q2栅极之间线路产生的寄生电感；
Cgs1为功率开关管Q1栅极与源极间的寄生电容；
Cgs2为功率开关管Q2栅极与源极间的寄生电容。
本优选实施方式中，R2和R5满足如上条件的作用是限制驱动电流大小，控制功率器件的开通速度，并且为驱动回路提供足够的阻尼，抑制驱动回路寄生电感与功率器件栅源极寄生电容产生谐振。
参见图1说明本优选实施方式，本优选实施方式中，R1和R4满足如下条件：
Figure BDA0002067349450000131
Figure BDA0002067349450000132
其中，
Vth1为功率开关管Q1的阈值电压；
Vth2为功率开关管Q2的阈值电压；
Lg1为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q1栅极之间线路产生的寄生电感；
Lg2为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q2栅极之间线路产生的寄生电感；
Cgd1为功率开关管Q1栅极与漏极间的寄生电容；
Cgd2为功率开关管Q2栅极与漏极间的寄生电容；
Figure BDA0002067349450000133
为微分符号；
Vdg1为功率开关管Q1漏极与栅极间的电压；
Vdg2为功率开关管Q2漏极与栅极间的电压；
VD1表示辅助二极管D1的正向导通电压；
VD2表示辅助二极管D2的正向导通电压；
Voff1表示功率开关管Q1处于关断状态时,驱动电路在功率开关管Q1栅源极施加的关断电压；
Voff2表示功率开关管Q2处于关断状态时,驱动电路在功率开关管Q2栅源极施加的关断电压。
优选实施方式中，R1和R4满足如上条件的作用是在器件关断时，减小关断电流通路的阻抗大小，使关断电流提高，迅速的关断功率器件，并且在关断电流流过时防止在功率器件栅源极两端产生能够引起误导通的电压。
采用下面所述的实施例子来验证本发明的有效性：本发明实施例以GaN Systems公司GaN HEMT半导体器件GS66508B为例，根据上述计算方法，求得驱动电阻R2，R5取值均为20Ω，关断电阻R1，R4取值为4Ω，所有二极管选用正向导通压降为0.42V的BAS3010，该抑制串扰尖峰电压的辅助电路不增加驱动电路的复杂度，不增加驱动回路寄生电感，特别适合于对驱动回路寄生电感敏感的GaN功率器件。
为了对比本发明抑制串扰尖峰电压的效果，本施例基于GS66508B芯片的Pspice仿真模型，搭建了基于Pspice的双脉冲测试仿真平台，并与典型驱动电路进行对比分析，本实施例的负载电感L为100uH，直流输入电压VCC为400V，驱动电阻R2和R5采用0603封装的低寄生电感5％精度电阻，辅助二极管D1、D2、Df1、Df2选择低导通压降的快恢复肖特基二极管BAS3010，驱动芯片选择具有高共模抑制比和高隔离能力的Si8273双路驱动芯片，隔离DC-DC变换器选择高共模抑制比的PES1-S5-S9。对比结果如图4所示。根据仿真结果典型驱动方式串扰现象严重，可能会出现桥臂串扰现象，本发明能够有效抑制桥臂串扰问题，同时关断延时时间明显减小。
本发明具有电路结构简单易于实现的优点。使用辅助电路中辅助元器件数量少，成本低，电路可靠性高；而且没有使用电感元件，器件封装小，易于集成；由于驱动回路寄生电感小，所用器件响应速度快，导通压降低，适合于开关速度非常快，并且阈值电压非常小的GaN功率器件。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其它的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例。

Claims (6)

1.一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路，包括用于对GaN半桥模块上桥臂中的功率开关管Q1进行驱动的上桥臂典型驱动电路和用于对GaN半桥模块下桥臂的功率开关管Q2进行驱动的下桥臂典型驱动电路；
其特征在于，还包括两个辅助电路，且两个辅助电路分别用于抑制GaN半桥模块中上、下桥臂串扰尖峰电压；
上桥臂典型驱动电路和下桥臂典型驱动电路共用一个驱动芯片；
上桥臂典型驱动电路包括电容C1、电阻R2和电阻R3；
下桥臂典型驱动电路包括电容C2、电阻R5和电阻R6；
两个辅助电路分别为第一辅助电路和第二辅助电路，其中，第一辅助电路用于抑制GaN半桥模块上桥臂尖峰电压，第二辅助电路用于抑制GaN半桥模块下桥臂尖峰电压；
第一辅助电路包括辅助电阻R1、辅助二极管D1和辅助二极管Df1；
第二辅助电路包括辅助电阻R4、辅助二极管D2和辅助二极管Df2；
驱动芯片的第一驱动信号输出引脚VOA与辅助电阻R1的一端和电阻R2的一端的同时连接，辅助电阻R1的另一端和辅助二极管D1的阴极连接；
辅助二极管D1的阳极、电阻R2的另一端、辅助二极管Df1的阴极和电阻R3的一端同时连接后，作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一驱动信号输出端，该抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一驱动信号输出端输出的第一驱动信号用于驱动GaN半桥模块上桥臂中的功率开关管Q1的栅极；
驱动芯片的第一接地引脚GNDA与辅助二极管Df1的阳极和电容C1的一端同时连接后，作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一负压电源输入端；
电容C1的另一端与电阻R3的另一端连接后，作为电源地GNDH；
驱动芯片的第二驱动信号输出引脚VOB与辅助电阻R4的一端和电阻R5的一端的同时连接，辅助电阻R4的另一端和辅助二极管D2的阴极连接；
辅助二极管D2的阳极、电阻R5的另一端、辅助二极管Df2的阴极和电阻R6的一端同时连接后，作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二驱动信号输出端，该抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二驱动信号输出端输出的第二驱动信号用于驱动GaN半桥模块下桥臂中的功率开关管Q2的栅极；
驱动芯片的第二接地引脚GNDB与辅助二极管Df2的阳极和电容C2的一端同时连接后，作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二负压电源输入端；
电容C2的另一端与电阻R6的另一端连接后，作为电源地GNDL；
驱动芯片的第一电源引脚VDDA和驱动芯片的第二电源引脚VDDB分别作为抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一正压电源输入端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二正压电源输入端。
2.根据权利要求1所述的一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路，其特征在于，还包括两个辅助电源单元，两个辅助电源单元均用于给驱动芯片提供电源，且两个辅助电源单元还分别用于给上、下桥臂典型驱动电路提供电源。
3.根据权利要求2所述的一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路，其特征在于，给上桥臂典型驱动电路提供电源的单元为第一辅助电源单元，给下桥臂典型驱动电路提供电源的单元为第二辅助电源单元；
第一辅助电源单元包括第一隔离DC-DC变换器芯片、电容C3、电容C4、电容C5、电阻R7、电阻R8和稳压二极管Dz1；第一隔离DC-DC变换器芯片采用PES1-S5-S9型变换器芯片实现；
第一隔离DC-DC变换器芯片的+VO引脚同时与电容C3的一端、电阻R7的一端、稳压二极管Dz1的阴极、电容C4的一端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一正压电源输入端连接；
第一隔离DC-DC变换器芯片的0V引脚同时与电容C3的另一端、电阻R7的另一端、电阻R8的一端、电容C5的一端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第一负压电源输入端连接；
稳压二极管Dz1的阳极与电阻R8的另一端、电容C4的另一端和电容C5的另一端同时连接后，作为电源地GNDH；
第二辅助电源单元包括第二隔离DC-DC变换器芯片、电容C6、电容C7、电容C8、电阻R9、电阻R10和稳压二极管Dz2；第二隔离DC-DC变换器芯片采用PES1-S5-S9型变换器芯片实现；
第二隔离DC-DC变换器芯片的+VO引脚同时与电容C6的一端、电阻R9的一端、稳压二极管Dz2的阴极、电容C7的一端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二正压电源输入端连接；
第二隔离DC-DC变换器芯片的0V引脚同时与电容C6的另一端、电阻R9的另一端、电阻R10的一端、电容C8的一端和抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路的第二负压电源输入端连接；
稳压二极管Dz2的阳极与电阻R10的另一端、电容C7的另一端和电容C8的另一端同时连接后，作为电源地GNDL。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路，其特征在于，驱动芯片采用Si8273型芯片实现。
5.根据权利要求1所述的一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路，其特征在于，R2和R5满足如下条件：
Figure FDA0003863407950000031
Figure FDA0003863407950000032
其中，
Lcs1为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q1源极之间线路产生的寄生电感；
Lcs2为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q2源极之间线路产生的寄生电感；
Lg1为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q1栅极之间线路产生的寄生电感；
Lg2为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q2栅极之间线路产生的寄生电感；
Cgs1为功率开关管Q1栅极与源极间的寄生电容；
Cgs2为功率开关管Q2栅极与源极间的寄生电容。
6.根据权利要求1所述的一种抑制GaN半桥模块桥臂串扰的栅极驱动电路，其特征在于，R1和R4满足如下条件：
Figure FDA0003863407950000041
Figure FDA0003863407950000042
其中，
Vth1为功率开关管Q1的阈值电压；
Vth2为功率开关管Q2的阈值电压；
Lg1为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q1栅极之间线路产生的寄生电感；
Lg2为驱动芯片至GaN半桥模块中功率开关管Q2栅极之间线路产生的寄生电感；
Cgd1为功率开关管Q1栅极与漏极间的寄生电容；
Cgd2为功率开关管Q2栅极与漏极间的寄生电容；
Figure FDA0003863407950000043
为微分符号；
Vdg1为功率开关管Q1漏极与栅极间的电压；
Vdg2为功率开关管Q2漏极与栅极间的电压；
VD1表示辅助二极管D1的正向导通电压；
VD2表示辅助二极管D2的正向导通电压；
Voff1表示功率开关管Q1处于关断状态时,驱动电路在功率开关管Q1栅源极施加的关断电压；
Voff2表示功率开关管Q2处于关断状态时,驱动电路在功率开关管Q2栅源极施加的关断电压。
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