CN111355361A - 一种实现eGaN HEMT并联动态均流的耦合电感栅极驱动电路 - Google Patents

一种实现eGaN HEMT并联动态均流的耦合电感栅极驱动电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现eGaN HEMT并联动态均流的耦合电感栅极驱动电路，包括连接在正向供电电源与负向供电电源之间的电压图腾柱结构单元，与电压图腾柱结构单元连接的耦合电感驱动单元，耦合电感驱动单元包括第一驱动电阻、第一二极管、第二驱动电阻、第二二极管以及第一耦合电感和第二耦合电感。耦合电感驱动电路通过第一耦合电感副边连接到第二功率管的栅极，通过第二耦合电感副边连接到第一功率管的栅极，第一功率管和第二功率管并联。此种驱动电路通过耦合电感给栅极提供补偿信号，在满足eGaN HEMT高速开关的同时实现并联动态均流。

Description

一种实现eGaN HEMT并联动态均流的耦合电感栅极驱动电路
技术领域
本发明属于电力电子技术与电工技术领域，涉及一种适用于eGaN HEMT的驱动电路，特别涉及一种实现eGaN HEMT并联动态均流的耦合电感栅极驱动电路。
背景技术
氮化镓(GaN)器件作为新型宽禁带半导体代表性器件之一，比Si器件具有更低的导通电阻、更快的开关速度和更高的结温工作能力等器件优势，用其代替Si器件作为制作变换器的功率器件有望显著提高变换器的最高工作频率、效率，降低其体积、重量。
现有商用GaN器件的电流定额相对较低，不能满足于较大容量系统的需求，因此可通过并联的方式来扩大其工作电流。实际使用中，由于器件参数分散性和电路参数不对称性等因素，会造成并联器件出现不均流问题。
目前已有文献中针对GaN基并联电路应用中的并联不均流问题，提出了筛选并联器件、对称布局设计、阻抗平衡、栅极电阻补偿等方法，但这些方法均有一定的局限性，其设计部分或完全依赖对并联器件的筛选和布局设计，电路不具有主动控制电流不平衡的功能，实际应用价值受限。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种实现eGaN HEMT并联动态均流的耦合电感栅极驱动电路，在充分发挥eGaN HEMT高速开关性能优势的同时实现eGaN HEMT并联电路的动态均流，实现高可靠性驱动并联eGaN HEMT。
技术方案：一种实现eGaN HEMT并联动态均流的耦合电感栅极驱动电路，连接到eGaN HEMT功率电路，所述eGaN HEMT功率电路包括并联的第一功率管和第二功率管，所述耦合电感栅极驱动电路包括连接在正向供电电源与负向供电电源之间的电压图腾柱结构单元，与电压图腾柱结构单元连接的耦合电感驱动单元；所述耦合电感驱动单元包括第一驱动电阻、第一二极管、第二驱动电阻、第二二极管以及第一耦合电感和第二耦合电感，所述耦合电感驱动单元通过第一耦合电感副边连接到第二功率管的栅极，通过第二耦合电感副边连接到第一功率管的栅极。
进一步的，所述电压图腾柱结构单元包括第一开关管和第二开关管，其中，第一开关管的漏极连接正向供电电源，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极，第二开关管的源极连接负向供电电源。
进一步的，所述耦合电感驱动单元中，第一驱动电阻的一端和第二二极管的阴极连接在第一开关管、第二开关管之间，第一驱动电阻的另一端连接第一二极管的阳极，第二二极管的阳极连接第二驱动电阻的一端，第二驱动电阻的另一端和第一二极管的阴极连接所述第一耦合电感和第二耦合电感的副边非同名端；第一耦合电感副边同名端与第二功率管的栅极相连，第二耦合电感副边同名端连接第一功率管的栅极，第一耦合电感原边同名端与第一功率管的源极相连，第一耦合电感原边非同名端接地；第二耦合电感原边同名端连接第二功率管的源极，第二耦合电感原边非同名端接地。
有益效果：本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)在动态不均衡电流出现时，电路实时动态调节功率管开关速度，使得并联器件的电流趋于均衡；
(2)并联器件共同承担开关损耗，能够维持器件正常工作寿命；
(3)本发明能够提高系统效率。
附图说明
图1是本发明中电压图腾柱结构单元的电路图；
图2是本发明中耦合电感驱动单元；
图3是本发明的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图3所示，本发明为一种实现eGaN HEMT并联动态均流的耦合电感栅极驱动电路，连接到eGaN HEMT功率电路。eGaN HEMT功率电路包括并联的第一功率管和第二功率管。耦合电感栅极驱动电路包括连接在正向供电电源与负向供电电源之间的电压图腾柱结构单元，与电压图腾柱结构单元连接的耦合电感驱动单元。耦合电感驱动单元包括第一驱动电阻、第一二极管、第二驱动电阻、第二二极管以及第一耦合电感和第二耦合电感。耦合电感驱动单元通过第一耦合电感副边连接到第二功率管的栅极，通过第二耦合电感副边连接到第一功率管的栅极，下面分别介绍。
如图1所示，是电压图腾柱结构单元的电路图，栅极电压图腾柱结构单元包括第一开关管S1和第二开关管S2，其中，第一开关管S1的漏极连接正向供电电源UG,on，第一开关管S1的源极连接第二开关管S2的漏极，第二开关管S2的源极连接负向供电电源UG,off。
如图2所示，是耦合电感驱动单元，耦合电感驱动单元包括第一驱动电阻RG,on、第一二极管D1、第二驱动电阻RG,off、第二二极管D2以及第一耦合电感M1和第二耦合电感M2。其中，第一驱动电阻RG,on的一端和第二二极管D2的阴极连接在第一开关管S1、第二开关管S2之间，第一驱动电阻RG,on的另一端连接第一二极管D1的阳极，第二二极管D2的阳极连接第二驱动电阻RG,off的一端，第二驱动电阻RG,off的另一端和第一二极管D1的阴极连接第一耦合电感M1和第二耦合电感M2的副边非同名端。第一耦合电感M1副边同名端与第二功率管Q2的栅极相连，第二耦合电感M2副边同名端连接第一功率管Q1的栅极。第一耦合电感M1原边同名端与第一功率管Q1的源极相连，非同名端接地；第二耦合电感M2原边同名端连接第二功率管Q2的源极，非同名端接地。
本发明的工作原理是：
第一功率管Q1和第二功率管Q2的源极电流分别流入第一耦合电感M1和第二耦合电感M2的原边绕组，并在两耦合电感的副边绕组产生感应电压，第一耦合电感M1和第二耦合电感M2的结构完全相同。由于第一耦合电感M1的副边绕组和第二耦合电感M2的副边绕组分别串联在第二功率管Q2的驱动回路和第一功率管Q1的驱动回路中，因此第一功率管Q1栅源极实际电压为驱动电压值与第二耦合电感M2副边绕组感应电压值之和，第二功率管Q2栅源极实际电压为驱动电压值与第一耦合电感M1副边绕组感应电压值之和。假设第一功率管Q1和第二功率管Q2完全一致，电路完全对称，流过两个并联功率管的电流相等，第一耦合电感M1和第二耦合电感M2副边绕组上产生的感应电压值也相等，此时第一功率管Q1栅源极实际电压值和第二功率管Q2栅源极实际电压值仍然相等，第一功率管Q1和第二功率管Q2开关速度一致，处于动态均流过程。
一般地，由于器件参数和回路寄生参数不一致，流过并联连接的第一功率管Q1和第二功率管Q2的电流存在偏差。在功率管开关过程中，若流过第一功率管Q1的漏极电流大于流过第二功率管Q2的漏极电流，此时在第一耦合电感M1副边绕组上产生的感应电压会大于在第二耦合电感M2副边绕组上产生的感应电压，从而第二功率管Q2栅源极实际电压会大于第一功率管Q1栅源极实际电压值。由于在功率管开关过程中，漏极电流iD满足
iD＝gm(uGS-UGS(th))2 (1)
其中，gm为跨导，uGS为功率管栅源极实际电压，UGS(th)为阈值电压。由公式(1)可得，此时流过第二功率管Q2的漏极电流会自动得到增大，从而使得两功率管的漏极电流差变小，趋于一致。故而实现两并联功率管的动态均流。
本发明提出了一种实现eGaN HEMT并联动态均流的耦合电感栅极驱动电路，在充分发挥eGaN HEMT高速开关的性能优势的同时实现eGaN HEMT并联电路的动态均流，实现高可靠性驱动并联eGaN HEMT。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种实现eGaN HEMT并联动态均流的耦合电感栅极驱动电路，连接到eGaN HEMT功率电路，所述eGaN HEMT功率电路包括并联的第一功率管和第二功率管，其特征在于：所述耦合电感栅极驱动电路包括连接在正向供电电源与负向供电电源之间的电压图腾柱结构单元，与电压图腾柱结构单元连接的耦合电感驱动单元；所述耦合电感驱动单元包括第一驱动电阻、第一二极管、第二驱动电阻、第二二极管以及第一耦合电感和第二耦合电感，所述耦合电感驱动单元通过第一耦合电感副边连接到第二功率管的栅极，通过第二耦合电感副边连接到第一功率管的栅极。
2.如权利要求1所述的实现eGaN HEMT并联动态均流的耦合电感栅极驱动电路，其特征在于：所述电压图腾柱结构单元包括第一开关管和第二开关管，其中，第一开关管的漏极连接正向供电电源，第一开关管的源极连接第二开关管的漏极，第二开关管的源极连接负向供电电源。
3.如权利要求2所述的实现eGaN HEMT并联动态均流的耦合电感栅极驱动电路，其特征在于：所述耦合电感驱动单元中，第一驱动电阻的一端和第二二极管的阴极连接在第一开关管、第二开关管之间，第一驱动电阻的另一端连接第一二极管的阳极，第二二极管的阳极连接第二驱动电阻的一端，第二驱动电阻的另一端和第一二极管的阴极连接所述第一耦合电感和第二耦合电感的副边非同名端；第一耦合电感副边同名端与第二功率管的栅极相连，第二耦合电感副边同名端连接第一功率管的栅极，第一耦合电感原边同名端与第一功率管的源极相连，第一耦合电感原边非同名端接地；第二耦合电感原边同名端连接第二功率管的源极，第二耦合电感原边非同名端接地。
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