CN111224647A - 高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，包括：驱动电流调节电路的控制端与反相器INV115的输入端接门极驱动电路的输入端；门极驱动电路的输入端用于输入控制信号On；反相器INV115的输出端接第一MOS开关Q111的控制端以及关断延时电路的输入端；关断延时电路的输出端接第二MOS开关Q113的控制端；驱动电流调节电路输出两路电流源iCp、iDrv，分别接到电荷泵电容C120两端的节点a和节点b；第一MOS开关Q111的一个开关端接节点a，另一个开关端接参考地；第二MOS开关Q113的一个开关端接节点b，另一个开关端接参考地；节点b作为门极驱动电路的输出端；本发明能够提升GaN功率管工作可靠性。

Description

高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路
技术领域
本发明涉及属于集成电路领域，尤其是涉及一种高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路。
背景技术
GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）具有高的断态击穿强度以及导通状态下的优异沟道导电性，是高频高功率密度开关功率晶体管的发展趋势。与Si相比，GaN材料的击穿强度比Si高10倍，这意味着与Si器件相比，对于给定的器件尺寸，可以将10倍的电压施加到GaN器件上，由于具体的导通电阻Ron与维持给定击穿电压所需的器件漂移区的长度成比例，因此更紧凑的GaN器件具有尽可能低的导通电阻。此外，GaN器件的HEMT电子传输特性，与具有相同额定电压的Si功率器件相比，特定的导通电阻几乎低两个数量级。因此，GaN器件同时实现高击穿电压和高电流水平，即具有高功率水平下的高开关频率。
GaN器件本身也存在一些缺点。一是器件没有雪崩电压额定值，因此门极驱动相当关键，绝对最大额定电压典型值仅为正负10V，而当门极驱动电压小于5V时，GaN器件的动态导通电阻性能又会变差。另外，GaN器件超快的开启速度会导致EMI特性差。另外，增强型（E-mode）GaN通常是常关器件，其1.5V左右的门极导通阈值也低于Si器件的3.5V左右的导通阈值，门极导通阈值低在应用中容易误导通。关键的是，能否实现低损耗、高功率密度和高可靠性的预期优势，取决于具有强固保护特性的门极驱动电路。
因此，高可靠的门极驱动对GaN器件性能至关重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，能够提升GaN功率管工作时的EMI性能，提升工作可靠性。本发明实施例采用的技术方案是：
一种高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，包括：驱动电流调节电路、第一MOS开关Q111、关断延时电路、第二MOS开关Q113、驱动电压钳位电路、反相器INV115、电荷泵电容C120；
驱动电流调节电路的控制端与反相器INV115的输入端接门极驱动电路的输入端；门极驱动电路的输入端用于输入控制信号On；反相器INV115的输出端接第一MOS开关Q111的控制端以及关断延时电路的输入端；关断延时电路的输出端接第二MOS开关Q113的控制端；
驱动电流调节电路输出两路电流源iCp、iDrv，分别接到电荷泵电容C120两端的节点a和节点b；第一MOS开关Q111的一个开关端接节点a，另一个开关端接参考地；第二MOS开关Q113的一个开关端接节点b，另一个开关端接参考地；
驱动电压钳位电路的一端接节点b，另一端接参考地；
节点b作为门极驱动电路的输出端，用于输出驱动GaN功率管的驱动电压vDrv。
进一步地，驱动电流调节电路输出的两路电流源iCp、iDrv受控制信号On控制；当控制信号On为低电平时，输出的两路电流源iCp、iDrv电流都为零；当控制信号On为高电平时，输出的两路电流源iCp、iDrv电流随门极驱动电路输出的驱动电压vDrv而变化。
更进一步地，当控制信号On由低电平变成高电平，门极驱动电路所驱动的GaN功率管充分导通时，电荷泵电容C120一端节点a的电压vCp高于另一端节点b的电压vDrv。
进一步地，关断延时电路的输入与输出同相，关断延时电路的输出信号Offd在其输入信号off上升沿时延时；关断延时电路的输出信号Offd在其输入信号off下降沿时不延时。
更进一步地，所述关断延时电路的输出信号Offd在其输入信号off上升沿时延时，延时时间td为数十纳秒。
进一步地，驱动电流调节电路包括：反相器INV1、NMOS管N1、N2、PMOS管P0、P1、P2、P3、受控电流源IBias1、电容C1、电阻Rup、Rdrv；
反相器INV1的输入端和PMOS管P0的栅极接驱动电流调节电路的输入端；反相器INV1的输出端接NMOS管N1的栅极，N1的源极和电容C1的一端接参考地，N1的漏极接电容C1另一端、NMOS管N2的栅极和受控电流源IBias1的电流流出端；受控电流源IBias1的电流流入端、PMOS管P1的源极、P0的源极、P2的源极、P3的源极以及电阻Rup的一端接电源电压端；P1的栅极接P0的漏极、电阻Rup另一端、P2的栅极、P3的栅极和P1的漏极；P1的漏极接N2的漏极；N2的源极接电阻Rdrv的一端，电阻Rdrv的另一端接P2的漏极，并用于输出电流源iDrv；P3的漏极用于输出电流源iCp。
进一步地，驱动电压钳位电路由两个背靠背的箝位二极管串联构成；驱动电压钳位电路的正电压门限设在门极驱动电路所驱动的GaN功率管的安全导通电压范围内。
进一步地，第二MOS开关Q113采用两个背靠背的NMOS管串联构成，该两个背靠背的NMOS管的栅极相接作为其控制端。
进一步地，第一MOS开关Q111采用单NMOS管。
本发明的优点在于：本发明提出了一种高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，在GaN功率管导通开启阶段，通过控制驱动电流的变化率来控制GaN功率管的开启速度，从而提升EMI性能；在GaN功率管导通阶段，精确控制GaN的栅极驱动电压，提升GaN功率管工作的可靠性；在GaN功率管关断阶段，通过电荷泵产生负的栅极驱动电压，能够快速关断GaN功率管，避免误触发，解决高速开关下的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例的门极驱动电路电原理图。
图2为本发明实施例的驱动电流调节电路原理图。
图3为本发明实施例的信号时序图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的实施例提供一种高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路（本文简称门极驱动电路），如图1所示，包括：驱动电流调节电路110、第一MOS开关Q111、关断延时电路112、第二MOS开关Q113、驱动电压钳位电路114、反相器INV115、电荷泵电容C120；
驱动电流调节电路110的控制端与反相器INV115的输入端接门极驱动电路的输入端；门极驱动电路的输入端用于输入控制信号On；反相器INV115的输出端接第一MOS开关Q111的控制端以及关断延时电路112的输入端；关断延时电路112的输出端接第二MOS开关Q113的控制端；
驱动电流调节电路110输出两路电流源iCp、iDrv，分别接到电荷泵电容C120两端的节点a和节点b；第一MOS开关Q111的一个开关端接节点a，另一个开关端接参考地；第二MOS开关Q113的一个开关端接节点b，另一个开关端接参考地；
驱动电压钳位电路114的一端接节点b，另一端接参考地；
节点b作为门极驱动电路的输出端，用于输出驱动GaN功率管的驱动电压vDrv；
在本实施例中，驱动电压vDrv通过驱动电流调节电路110、第一MOS开关Q111、关断延时电路112、第二MOS开关Q113、驱动电压钳位电路114、反相器INV115、电荷泵电容C120共同作用产生；
GaN功率管Q100的栅极接门极驱动电路输出的驱动电压vDrv，其漏极接GaN功率管Q100的负载101，其源极接GaN功率管Q100的电流检测电路102；
其中，第一MOS开关Q111采用单NMOS管；单NMOS管的控制端为其栅极；
其中，第二MOS开关Q113优选采用两个背靠背的NMOS管串联构成，该两个背靠背的NMOS管的栅极相接作为其控制端；在该MOS开关的两个NMOS管关断时两端不存在寄生通路，Q113中所示的两个二极管是MOS的寄生二极管；当第二MOS开关Q113的栅极为低电平时，内部两个NMOS开关断开，该MOS开关两端不管是正负电压都不构成电流通路；
第二MOS开关Q113采用单NMOS管也可行，但不是一个较佳的方案，当GaN功率管Q100开始关断时，其驱动电压vDrv变成负电压时，负电压会因为MOS管内寄生二极管的作用而限制在-0.6v左右；
驱动电压钳位电路114由两个背靠背的箝位二极管串联构成，因此驱动电压箝位电路114既能箝位正电压，又能箝位负电压，充分保证GaN功率管开关过程中的可靠性；
驱动电流调节电路110输出的两路电流源iCp、iDrv受控制信号On控制；当控制信号On为低电平时，输出的两路电流源iCp、iDrv电流都为零；当控制信号On为高电平时，输出的两路电流源iCp、iDrv电流随门极驱动电路输出的驱动电压vDrv而变化；
第一MOS开关Q111受反相器INV115的输出控制，反相器INV115的输入端接控制信号On；当On为低电平时，反相器INV115的输出为高电平，第一MOS开关Q111导通；当On为高电平时，反相器INV115的输出为低电平，第一MOS开关Q111关断；
第二MOS开关Q113受关断延时电路112控制，关断延时电路112的输入与输出同相，关断延时电路112的输出信号Offd在其输入信号off上升沿时延时，延时时间td可以是数十纳秒；关断延时电路112的输出信号Offd在其输入信号off下降沿时不延时；延时电路是比较成熟的电路，在此不再赘述；
初始状态下，控制信号On为低电平，此时驱动电流调节电路110输出的两路电流源iCp、iDrv电流都为零，第一MOS开关Q111导通，第二MOS开关Q113也导通，门极驱动电路输出的驱动电压vDrv为零，GaN功率管Q100关断；
当控制信号On由低电平变成高电平时，反相器INV115输出低电平，关断延时电路112也立刻输出低电平，第一MOS开关Q111立即关断，第二MOS开关Q113也立即关断，驱动电流调节电路110输出的两路电流源iCp、iDrv分别对电荷泵电容C120两端进行充电，电荷泵电容C120两端的电压vCp、vDrv升高，门极驱动电路的输出电压vDrv由零开始变高；当驱动电压vDrv达到GaN功率管Q100的导通阈值时，GaN功率管Q100导通，驱动电流调节电路110输出的两路电流源iCp、iDrv继续对电荷泵电容C120两端进行充电，电荷泵电容C120两端的电压vCp、vDrv继续抬高，GaN功率管Q100充分导通；当驱动电压vDrv达到驱动电压箝位电路114的正电压门限时，驱动电流调节电路110输出的电流源iDrv电流被驱动电压箝位电路114吸收，驱动电压vDrv被箝位，通常GaN功率管的驱动电压被箝位在6V左右，而节点a的电压vCp继续被驱动电流调节电路110输出的电流源iCp充电；当电压vCp达到驱动电流调节电路110的电源电压时，电流源iCp电流自动降为零，此时电荷泵电容C120一端节点a的电压vCp为驱动电流调节电路110的电源电压，电荷泵电容C120另一端节点b的电压vDrv为6V左右的电压；本实施例中，当控制信号On由低电平变成高电平，GaN功率管Q100充分导通时，要求电荷泵电容C120一端节点a的电压vCp高于另一端节点b的电压vDrv；
当控制信号On由高电平变成低电平时，驱动电流调节电路110输出的两路电流源iCp、iDrv电流立即都变成零，第一MOS开关Q111立即导通，第二MOS开关Q113因为关断延时电路112的控制继续保持关断；因为电荷泵电容C120的两端压差不能瞬变且先前的电压vCp高于电压vDrv，当电荷泵电容C120一端节点a的电压vCp被第一MOS开关Q111拉到零时，电压vDrv变成负电压，GaN功率管100被快速关断；
驱动电压vDrv的负电压的大小取决于电荷泵电容C120两端在控制信号On从高变低前的压差，以及电荷泵电容C120的容值和GaN功率管100栅极结电容的大小；vDrv的最大负电压为驱动电压箝位电路114的负电压门限；
在经过关断延时电路112几十纳秒的延时后，第二MOS开关Q113也导通，驱动电压vDrv被拉回到零电平，GaN功率管100保持关断状态；
在一个实施例中，驱动电流调节电路110如图2所示，包括：反相器INV1、NMOS管N1、N2、PMOS管P0、P1、P2、P3、受控电流源IBias1、电容C1、电阻Rup、Rdrv；
反相器INV1的输入端和PMOS管P0的栅极接驱动电流调节电路的输入端；反相器INV1的输出端接NMOS管N1的栅极，N1的源极和电容C1的一端接参考地，N1的漏极接电容C1另一端、NMOS管N2的栅极和受控电流源IBias1的电流流出端；受控电流源IBias1的电流流入端、PMOS管P1的源极、P0的源极、P2的源极、P3的源极以及电阻Rup的一端接电源电压端；P1的栅极接P0的漏极、电阻Rup另一端、P2的栅极、P3的栅极和P1的漏极；P1的漏极接N2的漏极；N2的源极接电阻Rdrv的一端，电阻Rdrv的另一端接P2的漏极，并用于输出电流源iDrv；P3的漏极用于输出电流源iCp；
其中，P1、P2、P3构成电流镜；电源电压端接电源电压VDD；
当控制信号On为低电平时，反相器INV1输出高电平，此时PMOS管P0导通，NMOS管N1导通，N2栅极的电压vGn为低电平，P1、P2、P3栅极的电压vGp为高电平，驱动电流调节MOS管N2关断，电流镜P1、P2、P3关断；
当控制信号On为高电平时，反相器INV1输出低电平，此时PMOS管P0关断，NMOS管N1关断，受控电流源Ibias1对电容C1充电，电压vGn上升，当电压vGn大于驱动电流调节MOS管N2的阈值电压后，N2导通，流过N2的电流经过电流镜P1、P2、P3产生电流源iCp和iDrv；
其中，可以通过调节受控电流源Ibias1的大小来控制电流源iCp和iDrv的电流变化率；
其中，电阻Rdrv可以设置电流源iCp和iDrv的电流大小；电阻Rdrv还能够影响电荷泵电容C120两端的压差；
其中，电流镜P1、P2、P3可以设置电流源iCp和iDrv的电流大小和比例；
GaN功率管的门极驱动控制时序，参见图3；
当控制信号On由低变高时，关断延时电路112的输入信号Off、输出信号Offd同时由高变低，驱动电压vDrv从零上升并被箝位在6V左右；
当控制信号On由高变低时，关断延时电路112的输入信号Off立即由低变高，也使得第一MOS开关Q111立即导通，关断延时电路112的输出信号Offd在延时td时间后由低变高，驱动电压vDrv从6V下降到负电压，再经过几十纳秒的延时拉回到零电平。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，其特征在于，包括：驱动电流调节电路(110)、第一MOS开关Q111、关断延时电路(112)、第二MOS开关Q113、驱动电压钳位电路(114)、反相器INV115、电荷泵电容C120；
驱动电流调节电路(110)的控制端与反相器INV115的输入端接门极驱动电路的输入端；门极驱动电路的输入端用于输入控制信号On；反相器INV115的输出端接第一MOS开关Q111的控制端以及关断延时电路(112)的输入端；关断延时电路(112)的输出端接第二MOS开关Q113的控制端；
驱动电流调节电路(110)输出两路电流源iCp、iDrv，分别接到电荷泵电容C120两端的节点a和节点b；第一MOS开关Q111的一个开关端接节点a，另一个开关端接参考地；第二MOS开关Q113的一个开关端接节点b，另一个开关端接参考地；
驱动电压钳位电路(114)的一端接节点b，另一端接参考地；
节点b作为门极驱动电路的输出端，用于输出驱动GaN功率管的驱动电压vDrv。
2.如权利要求1所述的高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，其特征在于，
驱动电流调节电路(110)输出的两路电流源iCp、iDrv受控制信号On控制；当控制信号On为低电平时，输出的两路电流源iCp、iDrv电流都为零；当控制信号On为高电平时，输出的两路电流源iCp、iDrv电流随门极驱动电路输出的驱动电压vDrv而变化。
3.如权利要求2所述的高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，其特征在于，
当控制信号On由低电平变成高电平，门极驱动电路所驱动的GaN功率管充分导通时，电荷泵电容C120一端节点a的电压vCp高于另一端节点b的电压vDrv。
4.如权利要求1、2或3所述的高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，其特征在于，
关断延时电路(112)的输入与输出同相，关断延时电路(112)的输出信号Offd在其输入信号off上升沿时延时；关断延时电路(112)的输出信号Offd在其输入信号off下降沿时不延时。
5.如权利要求4所述的高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，其特征在于，
所述关断延时电路(112)的输出信号Offd在其输入信号off上升沿时延时，延时时间td为数十纳秒。
6.如权利要求1、2或3所述的高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，其特征在于，
驱动电流调节电路(110)包括：反相器INV1、NMOS管N1、N2、PMOS管P0、P1、P2、P3、受控电流源IBias1、电容C1、电阻Rup、Rdrv；
反相器INV1的输入端和PMOS管P0的栅极接驱动电流调节电路的输入端；反相器INV1的输出端接NMOS管N1的栅极，N1的源极和电容C1的一端接参考地，N1的漏极接电容C1另一端、NMOS管N2的栅极和受控电流源IBias1的电流流出端；受控电流源IBias1的电流流入端、PMOS管P1的源极、P0的源极、P2的源极、P3的源极以及电阻Rup的一端接电源电压端；P1的栅极接P0的漏极、电阻Rup另一端、P2的栅极、P3的栅极和P1的漏极；P1的漏极接N2的漏极；N2的源极接电阻Rdrv的一端，电阻Rdrv的另一端接P2的漏极，并用于输出电流源iDrv；P3的漏极用于输出电流源iCp。
7.如权利要求4所述的高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，其特征在于，
驱动电流调节电路(110)包括：反相器INV1、NMOS管N1、N2、PMOS管P0、P1、P2、P3、受控电流源IBias1、电容C1、电阻Rup、Rdrv；
反相器INV1的输入端和PMOS管P0的栅极接驱动电流调节电路的输入端；反相器INV1的输出端接NMOS管N1的栅极，N1的源极和电容C1的一端接参考地，N1的漏极接电容C1另一端、NMOS管N2的栅极和受控电流源IBias1的电流流出端；受控电流源IBias1的电流流入端、PMOS管P1的源极、P0的源极、P2的源极、P3的源极以及电阻Rup的一端接电源电压端；P1的栅极接P0的漏极、电阻Rup另一端、P2的栅极、P3的栅极和P1的漏极；P1的漏极接N2的漏极；N2的源极接电阻Rdrv的一端，电阻Rdrv的另一端接P2的漏极，并用于输出电流源iDrv；P3的漏极用于输出电流源iCp。
8.如权利要求1、2、3或4所述的高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，其特征在于，
驱动电压钳位电路(114)由两个背靠背的箝位二极管串联构成；驱动电压钳位电路114的正电压门限设在门极驱动电路所驱动的GaN功率管的安全导通电压范围内。
9.如权利要求1、2或3所述的高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，其特征在于，
第二MOS开关Q113采用两个背靠背的NMOS管串联构成，该两个背靠背的NMOS管的栅极相接作为其控制端。
10.如权利要求1、2或3所述的高可靠的GaN功率管快速门极驱动电路，其特征在于，
第一MOS开关Q111采用单NMOS管。
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