CN113054969B - 一种氮化镓三极管栅极驱动电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氮化镓三极管栅极驱动电路及其控制方法，栅极驱动电路包括驱动电路和输出电路；驱动电路包含电源模块、变换器模块、半桥模块和调压模块；电源模块、变换器模块、半桥模块和调压模块串联；半桥模块、调压模块和输出电路构成正栅压控制电路和负栅压控制电路。本发明将栅极电压信号范围扩宽为‑20V到20V，满足了增强型和耗尽型氮化镓三极管的驱动需求，同时正栅压控制电路和负栅压控制电路互不干扰，确保了安全高可靠操作，并且仅需单电源V1供电，电路设计简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种氮化镓三极管栅极驱动电路及其控制方法，属于电子电路技术领域。
背景技术
具备高击穿电压、快开关速度和低导通电阻等优势的氮化镓功率三极管，被逐渐应用于功率变换系统中，包括各类变换器和逆变器。根据栅极沟道是否存在二维电子气，将氮化镓功率三极管分为增强型和耗尽型两种结构。得益于低制造成本、优越性能和高可靠性，P型栅极结构成为构建增强型氮化镓三极管的关键技术方法。在开关应用中，前级驱动会提供连续变化的高电平和低电平驱动信号给氮化镓三极管的p型栅极，从而控制器件导通或者关断。
为避免栅极漏电和时间相关的栅极击穿，p型栅极的开启电压最高限定在6V-7V，远低于硅基三极管的开启电压(＞15V-20V)。低开启电压直接造成较窄的栅极安全工作范围。虽然期望器件在低电平驱动下完全阻断沟道电子流动，实际表面钝化层或者异质结界面陷阱捕获电子产生的“虚栅”会让器件阈值电压出现漂移，从而影响器件正常关断和承受漏端电压应力。为了让器件在低电平驱动下完全关断，栅极驱动电压应具备宽调节范围，并且能实现负栅压关断。另一方面，为了关断常开的栅极沟道，耗尽型氮化镓三极管也需要负栅压关断，并且负压值一般需低于-15V，然而常规的氮化镓驱动芯片电平信号≥0V，无法实行负栅压关断。因此，为了拓宽氮化镓三极管的栅极信号范围，实现负栅压关断，避免器件误开启，需要提供一种简单调节的、高可靠的栅极驱动方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种氮化镓三极管栅极驱动电路及其控制方法，通过组合半桥模块、调压模块和输出模块，引入正栅压控制电路和负栅压控制电路，将栅极电压信号范围扩宽为-20V到20V，从而满足了增强型和耗尽型氮化镓三极管的驱动需求，可以确保器件正常导通和关断；并且，正栅压控制电路控制正电压信号，负栅压控制电路控制负电压信号，两者互不干扰，确保安全高可靠操作；同时，栅极驱动电路适用于增强型和耗尽型两种氮化镓三极管，应用范围广；而且，栅极驱动电路仅需单电源供电，电路设计简单。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种氮化镓三极管栅极驱动电路，包括驱动电路和输出电路；驱动电路包含电源模块、变换器模块、半桥模块和调压模块；
电源模块、变换器模块、半桥模块和调压模块串联；
半桥模块包含两个互相串联的驱动三极管Q1和驱动三极管Q2，驱动三极管Q1的漏极和驱动三极管Q2的源极并接于调压模块；
调压模块包含稳压电容C2、稳压电容C3、调压组件S1和调压组件S2，稳压电容C2并接于调压组件S1构成正栅压控制模块，稳压电容C3并接于调压组件S2构成负栅压控制模块，正栅压控制模块串接于负栅压控制模块并且中间连接点O1为零电平对地信号；
输出电路包含栅极电阻Rg、氮化镓三极管Q3、负载电感L1、续流二极管D2和偏置电压V2，栅极电阻Rg的一端连接驱动三极管Q1的源极，栅极电阻Rg的另一端连接氮化镓三极管Q3的栅极，负载电感L1并接于续流二极管D2，续流二极管D2的阳极连接于氮化镓三极管Q3的漏极，续流二极管D2的阴极连接于偏置电压V2的正极，偏置电压V2的负极与氮化镓三极管Q3的源极并接于零电平对地信号O1。
上述半桥模块中驱动三极管Q1和驱动三极管Q2的导通和关断受数字信号发生器控制。
上述半桥模块、调压模块和输出模块构成两条栅极电压控制电路，两条栅极电压控制电路分别为正栅压控制电路和负栅压控制电路；正栅压控制模块、驱动三极管Q1、栅极电阻Rg和氮化镓三极管Q3构成正栅压控制电路；负栅压控制模块、驱动三极管Q2、栅极电阻Rg和氮化镓三极管Q3构成负栅压控制电路。
为使正栅压控制模块和负栅压控制模块产生幅值相等的电压信号，稳压电容C2的电容值等于稳压电容C3的电容值。
为了简化电路设计和提高控制电路的可靠性，上述电源模块包含直流DC电源V1、储能电容C1和保护二极管D1，储能电容C1并联在直流DC电源的两端，保护二极管D1的阳极连接直流DC电源的正极。变换器模块包含两个互相并联的DC-DC模块，DC-DC模块的输入端均连接保护二极管的阴极，DC-DC模块的输出端均与半桥模块和调压模块串联。
优选，上述负载电感L1为铁氧体电感，续流二极管D2为快恢复碳化硅二极管。
基于上述正栅压控制电路和负栅压控制电路，相应的氮化镓三极管Q3栅极驱动控制方法，包括：
1)当形成正栅压控制电路时，驱动三极管Q1导通，驱动三极管Q2关断；同时，正栅压幅值等于调压组件S1电压值；当正栅压幅值高于氮化镓三极管Q3的阈值电压时，氮化镓三极管Q3导通；
2)当形成负栅压控制电路时，驱动三极管Q1关断，驱动三极管Q2导通；同时，负栅压幅值等于调压组件S2电压值；当负栅压幅值低于氮化镓三极管Q3的阈值电压时，氮化镓三极管Q3关断。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明实现了栅极驱动电压的宽范围调节，为-20V到20V，满足增强型和耗尽型氮化镓三极管应用需求。
(2)本发明利用正栅压控制电路和负栅压控制电路分别提供正栅压驱动信号和负栅压驱动信号，控制方案简单，驱动信号互不干扰，确保高可靠操作。
(3)本发明的驱动电路仅需单电源V1供电，电路设计简单。
附图说明
图1为本发明的氮化镓三极管栅极驱动电路图；
图2为本发明的正栅压控制电路关键节点波形图；
图3为本发明的负栅压控制电路关键节点波形图；
图4为依据本发明测试的双脉冲开关波形图；
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
如图1所示，一种氮化镓三极管栅极驱动电路，包括驱动电路和输出电路；驱动电路包含电源模块、变换器模块、半桥模块和调压模块；电源模块、变换器模块、半桥模块和调压模块串联；电源模块包含直流DC电源V1、储能电容C1和保护二极管D1，储能电容C1并联在直流DC电源的两端，保护二极管D1的阳极连接直流DC电源的正端；变换器模块包含两个互相并联的DC-DC模块，两个DC-DC模块的输入端均连接保护二极管的阴极，两个DC-DC模块的输出端均与半桥模块和调压模块串联；半桥模块包含两个互相串联的驱动三极管Q1和驱动三极管Q2，驱动三极管Q1的漏极和驱动三极管Q2的源极并接于调压模块；调压模块包含稳压电容C2、稳压电容C3、调压组件S1和调压组件S2，稳压电容C2并接于调压组件S1构成正栅压控制模块，稳压电容C3并接于调压组件S2构成负栅压控制模块，正栅压控制电路串接于负栅压控制电路并且中间连接点O1为零电平对地信号；半桥模块中驱动三极管Q1和驱动三极管Q2的导通和关断受数字信号发生器控制；为使正栅压控制模块和负栅压控制模块提供幅值一致的电位信号，稳压电容C2的电容值等于稳压电容C3的电容值。输出电路包含栅极电阻Rg、氮化镓三极管Q3、负载电感L1、续流二极管D2和偏置电压V2，栅极电阻Rg的一端连接驱动三极管Q1的源极，栅极电阻Rg的另一端连接氮化镓三极管Q3的栅极，负载电感L1并接于续流二极管D2，续流二极管D2的阳极连接于氮化镓三极管Q3的漏极，续流二极管D2的阴极连接于偏置电压V2的正极，偏置电压V2的负极与氮化镓三极管Q3的源极并接于零电平对地信号O1。负载电感L1为铁氧体电感，续流二极管D2为快恢复碳化硅二极管。
如图2所示，正栅压控制模块、驱动三极管Q1、栅极电阻Rg和氮化镓三极管Q3构成正栅压控制电路，产生正栅压控制信号传递给氮化镓三极管Q3栅极。当形成正栅压控制电路时，驱动三极管Q1导通，驱动三极管Q2关断；同时，正栅压幅值等于调压组件S1电压值；当正栅压幅值高于氮化镓三极管Q3的阈值电压时，氮化镓三极管Q3导通；
如图3所示，负栅压控制模块、驱动三极管Q2、栅极电阻Rg和氮化镓三极管Q3构成负栅压控制电路，产生负栅压控制信号传递给氮化镓三极管Q3栅极。当形成负栅压控制电路时，驱动三极管Q1关断，驱动三极管Q2导通；同时，负栅压幅值等于调压组件S2电压值；当负栅压幅值低于氮化镓三极管Q3的阈值电压时，氮化镓三极管Q3关断。
如图4所示，通过双脉冲测试对本发明的有效性进行了验证，当栅电压控制电路传递双脉冲开关信号给氮化镓三极管Q3时，可以得到相应的栅极电压波形、漏源电压波形和漏源电流波形。结果表明本发明的栅极驱动电路可以正常驱动氮化镓三极管工作。
表1为本实施例中驱动电路的电压范围和IXYS公司生产的IXD_604栅极驱动电路电压范围的对比。
| 驱动电压范围 | |
| 本实施例中驱动电路 | -20V—20V |
| IXD_604栅极驱动电路 | ≥4.5V |
由表1可看出，本实施例中驱动电压范围宽于传统驱动电路，并且可以进行负压驱动，适用于增强型和耗尽型氮化镓三极管。
Claims (10)
1.一种氮化镓三极管栅极驱动电路，其特征在于：包括驱动电路和输出电路；驱动电路包含电源模块、变换器模块、半桥模块和调压模块；
电源模块、变换器模块、半桥模块和调压模块串联；
半桥模块包含两个互相串联的驱动三极管Q1和驱动三极管Q2，驱动三极管Q1的漏极和驱动三极管Q2的源极并接于调压模块；
调压模块包含稳压电容C2、稳压电容C3、调压组件S1和调压组件S2，稳压电容C2并接于调压组件S1构成正栅压控制模块，稳压电容C3并接于调压组件S2构成负栅压控制模块，正栅压控制模块串接于负栅压控制模块并且中间连接点O1为零电平对地信号；
输出电路包含栅极电阻Rg、氮化镓三极管Q3、负载电感L1、续流二极管D2和偏置电压V2，栅极电阻Rg的一端连接驱动三极管Q1的源极，栅极电阻Rg的另一端连接氮化镓三极管Q3的栅极，负载电感L1并接于续流二极管D2，续流二极管D2的阳极连接于氮化镓三极管Q3的漏极，续流二极管D2的阴极连接于偏置电压V2的正极，偏置电压V2的负极与氮化镓三极管Q3的源极并接于零电平对地信号O1。
2.根据权利要求1所述的氮化镓三极管栅极驱动电路，其特征在于：半桥模块、调压模块和输出模块构成两条栅极电压控制电路，两条栅极电压控制电路分别为正栅压控制电路和负栅压控制电路；正栅压控制模块、驱动三极管Q1、栅极电阻Rg和氮化镓三极管Q3构成正栅压控制电路；负栅压控制模块、驱动三极管Q2、栅极电阻Rg和氮化镓三极管Q3构成负栅压控制电路。
3.根据权利要求1或2所述的氮化镓三极管栅极驱动电路，其特征在于：稳压电容C2的电容值等于稳压电容C3的电容值。
4.根据权利要求1或2所述的氮化镓三极管栅极驱动电路，其特征在于：电源模块包含直流DC电源V1、储能电容C1和保护二极管D1，储能电容C1并联在直流DC电源的两端，保护二极管D1的阳极连接直流DC电源的正极。
5.根据权利要求4所述的氮化镓三极管栅极驱动电路，其特征在于：变换器模块包含两个互相并联的DC-DC模块，DC-DC模块的输入端均连接保护二极管的阴极，DC-DC模块的输出端均与半桥模块和调压模块串联。
6.根据权利要求1或2所述的氮化镓三极管栅极驱动电路，其特征在于：负载电感L1为铁氧体电感，续流二极管D2为快恢复碳化硅二极管。
7.根据权利要求1或2所述的氮化镓三极管栅极驱动电路，其特征在于：驱动三极管Q1和驱动三极管Q2的导通和关断受数字信号发生器控制。
8.一种权利要求1-6任意一项所述的氮化镓三极管栅极驱动电路的控制方法，其特征在于：当形成正栅压控制电路时，正栅压幅值等于调压组件S1电压值；当形成负栅压控制电路时，负栅压幅值等于调压组件S2电压值。
9.如权利要求8所述的控制方法，其特征在于：当正栅压幅值高于氮化镓三极管Q3的阈值电压时，氮化镓三极管Q3导通；当负栅压幅值低于氮化镓三极管Q3的阈值电压时，氮化镓三极管Q3关断。
10.如权利要求8或9所述的控制方法，其特征在于：当形成正栅压控制电路时，驱动三极管Q1导通，驱动三极管Q2关断；当形成负栅压控制电路时，驱动三极管Q1关断，驱动三极管Q2导通。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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