CN112311211A - 一种用于GaN HEMT功率器件的驱动控制芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于GaN HEMT功率器件的驱动控制芯片，通过采用压控电流源高边管栅极钳位技术，自适应调节自举充电路径的电流，防止自举电源轨超过GaN HEMF功率器件的栅源耐压，克服了高边管易损的难题。同时，本发明高低边管采用独立通道控制，从而根据应用准确的控制死区时间，减少高频下的死区损耗，提高系统效率。另外，本发明片内集成高压管开关，控制自举充电路径的开启或关闭，实现控制电路全集成，减少片外元件，提高系统集成度。
Description
技术领域
本发明属于集成电路设计及功率开关器件控制技术领域，具体涉及一种用于GaNHEMT功率器件的驱动控制芯片。
背景技术
电力电子器件被广泛应用在功率开关领域，随着对开关电源高效率、高功率密度、小型化要求的提高和材料科学的不断发展，功率器件将对整个系统效率、性能和成本产生不可估量的影响。GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)具有临界场强高、电子饱和速度高、电子迁移率高以及导热率高等特点，凭借其材料优势能够满足未来电源系统高功率、高速的要求，具有良好的应用前景。GaN HEMT的特性表现出来和硅基MOSFET相近，但是也存在一定的差异：GaN的栅极驱动电压限值较小，合适的栅极驱动电压范围狭窄，以EPC公司的低压GaN功率管为例，其栅极驱动电压最高不能超过6V，推荐的栅源电压围为4～5.25V，因此在设计驱动电路时需要对栅极驱动电压进行钳位，防止电压过冲，造成器件损坏。同时，GaN没有寄生体二极管，并且其反向导通压降较大，可以达到2～3V，在死区时间期间，低边的GaN功率管会产生很大的反向导通损耗，高边的GaN管栅源电压可能超过耐压而被击穿，这些特性都对其驱动电路提出新的要求。
以获得广泛应用的半桥电路分析，如图1所示，由于上下管均采用N型功率管需要采用自举电路给高边GaN管提供栅极电压，当下管导通时，低边供电电压VDD通过高速自举二极管DBoot对自举电容CBoot进行充电；当上管导通时，自举二极管DBoot阻断低边供电电压VDD，同时自举电容CBoot提供高边栅极驱动所需要的能量，自举电容两端的电压会被充到Vboot＝VDD-VF+VSD，其中VF是自举二极管的导通压降，VSD是下管的反向导通电压。对于GaN功率管来说，下管反向导通电压会比自举二极管的导通压降大很多，因此自举电容两端的电压最终会被冲到大于供电电压VDD，而VDD一般为5V，会超过GaN功率管栅极耐压，造成器件的损坏，这在GaN驱动电路设计中是需要考虑并且解决的问题。
因此，传统的用于MOS功率器件的驱动电路并不适用与GaN功率器件，对于GaN反向导通压降过大导致高边管自举电压过压的问题，学界和工业界的解决方案主要有：在自举电容两端并联齐纳二极管，将高边管的栅极驱动电压钳位到安全供电电压范围内，将上下管的死区时间控制在几个ns内，减少GaN功率管的反向导通电流和反向导通电压的交叠时间，从而减少反向导通损耗，但是这样会引入更大的寄生电容和反向恢复电荷，制约开关频率的提高；另一种方法是在低边GaN功率管两端反并肖特基二极管，从而将反向导通电压钳位到一个较低的电压水平，但是反并二极管会流过一定的电流产生损耗，有研究表明这样会增加40％的电流损耗，同时可能引发高边电路的欠压锁定。
发明内容
鉴于上述，本发明提出了一种用于GaN HEMT功率器件的驱动控制芯片，通过自适应控制自举电路充电电流的方式来限制高边电源轨过高，顺利地解决了GaN功率管的反向导通电压降过大造成半桥电路中高边管栅源电压超过耐压的问题。
一种用于GaN HEMT功率器件的驱动控制芯片，包括：
高边自举电路，采集高边驱动电路中自举电容的电压，根据该电压大小自适应调节流经自举电容的电流；
高边驱动电路，将给定的高边驱动信号进行电平移位，以驱动高边GaN功率管；
低边驱动电路，利用给定的低边驱动信号驱动低边GaN功率管。
进一步地，所述GaN HEMT功率器件由高边GaN功率管和低边GaN功率管串联构成，所述高边驱动信号与低边驱动信号相位互补。
进一步地，所述高边自举电路包括电压检测模块、信号处理模块、高压管开关控制模块、可控电流源以及高压开关管，其中：
所述电压检测模块用于检测采样自举电容两端电压并将其与给定的参考值进行比较，输出比较信号；
所述可控电流源由N个低压开关管并联而成，一端接工作电压VDD，另一端接高压开关管的源极，高压开关管的漏极与自举电容的一端相连，自举电容的另一端与高边GaN功率管的源极以及低边GaN功率管的漏极相连；N为大于1的自然数；
所述信号处理模块由电平移位器和计数器组成，电平移位器用于对比较信号的电位进行移位，进而直接将移位后的比较信号输入至计数器中，计数器输出二进制的比特代码，其位数为N，每一位代码值用于控制对应的低压开关管；
所述高压管开关控制模块用于控制高压开关管的通断，使得自举电容的电流只能单向流动，以保护可控电流源中的低压开关管。
进一步地，所述高压开关管与低边GaN功率管开关同步。
本发明控制芯片中高边驱动电路和低边驱动电路通过互补的方波信号HI和LI独立控制，分别通过驱动级产生输出信号驱动GaN功率管，高边自举电路提供高边电源电压HB，自举电容CBOOT一端接高边电源电压HB，一端接高边地电压SW；电压检测模块设定阈值和迟滞窗口，通过检测自举电容CBOOT两端的电压来控制受控电流源的电流值，从而限制高压电源轨电压在GaN功率管栅源电压的合理范围内；同时，片内集成高压管开关DBOOT，通过HC信号控制自举充电路径的开启或关闭。
本发明控制芯片通过检测高边电源轨电压来控制自举充电电流，从而实现高边电源轨电压的自适应，采样时钟CLK可以在SW的上升沿(下降沿)采样，即比较自举电源轨电压的峰值(谷值)和设置的比较器阈值，如果输出信号为高，说明自举电源电压偏高，需要减少自举充电电流；反之，需要增加自举充电电流。
本发明控制芯片中电压检测模块可以通过内建参考电压的带隙基准比较器实现，电平移位器需要具有很强的抗共模抑制能力，防止HB点电压变化影响电平移位器的输出，并且比较器和电平移位器的高边电路需要做在一个具有浮动电位的高压阱中；计数器可通过简单的JK触发器和组合逻辑实现，具有移位和保持功能；可控电流源可以由开关阵列组成，通过开关阵列的数量实现不同的电流大小，通过控制计数器输出的比特数，从而控制开关阵列的数量，实现等价的受控电流源作用，从而限制自举电路的充电电流，防止自举电源轨电压超过高边管栅源电压的耐压值。
本发明控制芯片通过高压管开关控制自举充电路径的开启或关闭，片内通过高压管实现开关DBOOT，高压管的源端接受控电流源的输出，漏端接高边电压HB即自举电容的一端，栅端通过HC信号控制，HC信号可以由HI和LI的组合逻辑来实现；高边电源电压HB到电源电压VDD的高压由片内高压管DBOOT的源漏端来承受，通过HC信号控制自举充电路径的开启或关闭，电流方向实现为电源电压VDD到高边电源电压HB，而不能朝相反的方向流动，实现与二极管类似的单向导电功能。
本发明通过采用压控电流源高边管栅极钳位技术，自适应调节自举充电路径的电流，防止自举电源轨超过GaN HEMF功率器件的栅源耐压，克服了高边管易损的难题。同时，本发明高低边管采用独立通道控制，从而根据应用准确的控制死区时间，减少高频下的死区损耗，提高系统效率。另外，本发明片内集成高压管开关，控制自举充电路径的开启或关闭，实现控制电路全集成，减少片外元件，提高系统集成度。
附图说明
图1为传统半桥驱动自举电路的结构示意图。
图2为本发明驱动控制芯片的电路结构示意图。
图3为本发明高边自举电路的结构示意图。
图4为本发明高边自举电路的时序原理示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明用于GaN HEMT功率器件的驱动电路，包括高边自举电路、高边驱动电路、低边驱动电路以及片外GaN功率管，如图2所示，高边驱动电路和低边驱动电路通过互补的方波信号HI和LI控制，输出信号HO和LO，驱动GaN功率管；高边驱动电路采用高边电源电压HB和高边地电压SW，低边驱动电路采用电源电压VDD和地电压GND。高通道驱动电路和低通道驱动电路相互独立控制，分别传输高低边功率管的控制信号。
高边自举电路是本发明的核心，其主要包括自举电容、高边电源轨自举电压检测模块、信号处理模块、受控电流源、高压开关管及其控制模块。自举电容CBOOT一端接高边电源电压HB，一端接高边低电压SW；自举电压检测模块设定阈值，通过比较器检测自举电容两端的电压，输出高低信号，该信号通过电平移位器和信号处理模块从而控制受控电流源的电流，从而限制高边电源轨的电压。同时，片内集成高压管实现高压管开关DBOOT，通过HC信号控制自举充电路径的开启和关闭。
高边自举电路可通过简单的比较器和电平移位器来实现自举电压的采样，控制计数器输出的比特数，从而控制开关阵列实现受控电流源的作用，限制自举电路的充电电流，防止自举电源轨电压超过高边管栅源电压的耐压值。
如图2所示，当输入信号HI为高信号，LI为低信号时，高边驱动通道通过电平移位电路产生高边驱动信号，控制驱动器BH开启高边管MH，SW点电压自然上升至输入电压，当输入信号HI从高信号跳变为低信号时，高边管关闭，SW从输入电压降至零电压以下，如果死区时间太长SW压降约为-2V左右，此时由于高边自举电路充电电流恒定，不会发生过充问题。当输入信号LI从低信号跳变为高信号时，低边驱动通道控制驱动器开启低边管ML，SW点电压升至零电压附近，电源电压VDD给自举电容充电；当输入信号LI从高信号跳变为低信号时，低边管关闭，再次进入死区时间。高边自举电路的充电电流通过检测高边自举电源轨的电压来控制，一旦电压超过设定的上限值，就产生信号减少受控电流源的电流，从而控制自举电路的充电电流；当高边自举电源轨的电压低于设定的下限值时，检测模块输出信号翻转，提高充电电流；同时，HC控制高边自举电路的高压管开关的开启或关闭，防止电流从自举电容HB端流向电源电压VDD，实现二极管的单向导电作用。本发明可以自适应调节高边自举电充电电流，并将其保持在一定的范围内，限制高边电源轨电压，从而替代传统的齐纳二极管钳位或者肖特基二极管钳位方案，可以减小功耗，提高效率。
由于GaN管的反向导通电压VSD压降较常规MOS管大，开关点SW点处的电压会下降到VSD，在传统的半桥驱动电路中，VDD经过自举二极管、自举电容、下管形成到地的回路，由于二极管的导通电压为0.7V，GaN的反向导通电压VSD压降约为2V，自举电容两端电压会上升到超过VDD的值从而损坏驱动电路并击穿上管。本发明采用片内解决方式，通过用电压控制的受控源限制了自举充电路径的电流，从而保证高边电源轨电压在GaN栅源电压正常工作范围内。
如图3所示，本实施方式中高边自举电路由电流源开关阵列、开关阵列控制模块、自举电容CBOOT和高压管开关及其控制模块构成，VDD经过受控源、高压管开关、自举电容、SW点和下管形成到地的回路，高压管开关开启，电流从VDD流过自举电容，自举电容两端的电压上升，自举电容电压控制的受控源电流恒定，自举电源轨电压不会有由于SW点的跌落而过充；而受控源的电流由检测电路采样自举电源轨电压来控制，当自举电压峰值(谷值)达到所需的限定值，自举充电电流保持恒定，从而保证自举电源轨电压在安全范围内。
高边自举电路的工作原理如图4所示，受控电流源的控制是通过采样自举电源轨电压来实现的，当低边管开通时，此时SW点电压为低于零值，HC信号为高，控制高压管开关开通，自举电源轨VHB-SW以受控电流源的电流充电至最高点，由于HB电压的上升，充电电流电流略有下降，基本趋于恒定，此时采样时钟CLK信号为高信号，对自举电源轨的电压进行采样，通过电平移位器将信号传输给计数器，调节下个周期的充电电流；当下边管关闭时，进入死区时间，由于自举充电路径电流恒定，自举电源轨电压不会由于SW点电压跌落而升高；当高边管开启时，HC信号跳变为低电平，自举充电路径关闭，由于高边驱动器驱动高边管，SW点电压升至输入电压VIN，自举电容放电，VHB-SW电压下降。片内的开关DBOOT由高压管构成，其源漏耐压超过输入电压就可以保护高边自举电路的低压模块，当高边管关闭时，进入死区时间，等待下次周期的到来；在本周期内自举电源轨VHB-SW的峰值(谷值)进行采样调节下周期的自举充电电流，采样时钟CLK可以由HI的延时信号来(LI的延时信号)控制，即SW上升沿(下降沿)采样；如果本周期的自举电源轨VHB-SW峰值(谷值)电压小于设定值，则下周期的充电电流增加；反之，充电电流减少。当自举电源VHB-SW峰值(谷值)电压在设定的范围内，则计数器进入保持状态，电流源开关阵列数目不变。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于GaN HEMT功率器件的驱动控制芯片，其特征在于，包括：
高边自举电路，采集高边驱动电路中自举电容的电压，根据该电压大小自适应调节流经自举电容的电流；
高边驱动电路，将给定的高边驱动信号进行电平移位，以驱动高边GaN功率管；
低边驱动电路，利用给定的低边驱动信号驱动低边GaN功率管。
2.根据权利要求1所述的驱动控制芯片，其特征在于：所述GaN HEMT功率器件由高边GaN功率管和低边GaN功率管串联构成，所述高边驱动信号与低边驱动信号相位互补。
3.根据权利要求1所述的驱动控制芯片，其特征在于：所述高边自举电路包括电压检测模块、信号处理模块、高压管开关控制模块、可控电流源以及高压开关管，其中：
所述电压检测模块用于检测采样自举电容两端电压并将其与给定的参考值进行比较，输出比较信号；
所述可控电流源由N个低压开关管并联而成，一端接工作电压VDD，另一端接高压开关管的源极，高压开关管的漏极与自举电容的一端相连，自举电容的另一端与高边GaN功率管的源极以及低边GaN功率管的漏极相连；
所述信号处理模块由电平移位器和计数器组成，电平移位器用于对比较信号的电位进行移位，进而直接将移位后的比较信号输入至计数器中，计数器输出二进制的比特代码，其位数为N，每一位代码值用于控制对应的低压开关管；
所述高压管开关控制模块用于控制高压开关管的通断，使得自举电容的电流只能单向流动，以保护可控电流源中的低压开关管。
4.根据权利要求3所述的驱动控制芯片，其特征在于：所述高压开关管与低边GaN功率管开关同步。
5.根据权利要求1所述的驱动控制芯片，其特征在于：该控制芯片中高边驱动电路和低边驱动电路通过互补的方波信号HI和LI独立控制，分别通过驱动级产生输出信号驱动GaN功率管，高边自举电路提供高边电源电压HB，自举电容CBOOT一端接高边电源电压HB，一端接高边地电压SW；电压检测模块设定阈值和迟滞窗口，通过检测自举电容CBOOT两端的电压来控制受控电流源的电流值，从而限制高压电源轨电压在GaN功率管栅源电压的合理范围内；同时，片内集成高压管开关DBOOT，通过HC信号控制自举充电路径的开启或关闭。
6.根据权利要求1所述的驱动控制芯片，其特征在于：该控制芯片通过检测高边电源轨电压来控制自举充电电流，从而实现高边电源轨电压的自适应，采样时钟CLK可以在SW的上升沿或下降沿采样，即比较自举电源轨电压的峰值或谷值和设置的比较器阈值，如果输出信号为高，说明自举电源电压偏高，需要减少自举充电电流；反之，需要增加自举充电电流。
7.根据权利要求1所述的驱动控制芯片，其特征在于：该控制芯片中电压检测模块可以通过内建参考电压的带隙基准比较器实现，电平移位器需要具有很强的抗共模抑制能力，防止HB点电压变化影响电平移位器的输出，并且比较器和电平移位器的高边电路需要做在一个具有浮动电位的高压阱中；计数器可通过简单的JK触发器和组合逻辑实现，具有移位和保持功能；可控电流源可以由开关阵列组成，通过开关阵列的数量实现不同的电流大小，通过控制计数器输出的比特数，从而控制开关阵列的数量，实现等价的受控电流源作用，从而限制自举电路的充电电流，防止自举电源轨电压超过高边管栅源电压的耐压值。
8.根据权利要求1所述的驱动控制芯片，其特征在于：该控制芯片通过高压管开关控制自举充电路径的开启或关闭，片内通过高压管实现开关DBOOT，高压管的源端接受控电流源的输出，漏端接高边电压HB即自举电容的一端，栅端通过HC信号控制，HC信号可以由HI和LI的组合逻辑来实现；高边电源电压HB到电源电压VDD的高压由片内高压管DBOOT的源漏端来承受，通过HC信号控制自举充电路径的开启或关闭，电流方向实现为电源电压VDD到高边电源电压HB，而不能朝相反的方向流动，实现与二极管类似的单向导电功能。
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