CN114448406B - 一种氮化镓驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种氮化镓驱动电路，属于半导体器件技术领域，包括比较器CMP1、比较器CMP2和第一开关单元，所述比较器CMP1的同相端与驱动芯片、比较器CMP2的反相端连接，比较器CMP1的反相端与比较器CMP2的同相端、基准电压Vref连接，比较器CMP1的输出端与功率管T的栅极连接，所述比较器CMP2的输出端与第一开关单元的控制端连接，所述第一开关单元的输入端与比较器CMP1的输出端、功率管T的栅极连接，第一开关单元的输出端接地。本申请可减少功率管T被击穿的情况，同时，可直接替换传统的硅MOS管，便于推广。

Description

一种氮化镓驱动电路
技术领域
本申请涉及半导体器件技术领域，尤其是涉及一种氮化镓驱动电路。
背景技术
随着第三代半导体功率管的兴起和普及，氮化镓（GaN）MOS管被广泛应用于高开关速度和高功率密度的场合。功率管分为D-mode和E-mode，其中，D-mode耗尽型为常开型，应用在需串联低压硅MOS管使用。而E-mode增强型为常关型，使用方式类似传统的硅MOS管，适合高频化应用。
参考图1，对于E-mode氮化镓，一般采用传统的硅MOS管的驱动芯片加RC降压进行驱动，其中，驱动电路的输出电压的最高值等于电源电压减去稳压管ZD1的稳压值，而驱动芯片的电源电压一般为12V-15V，稳压管ZD1的稳压一般为5.6V。
针对上述中的相关技术，发明人认为存在有以下缺陷：驱动电路通过电容C隔离，在启动瞬间，输出电压可通过电容C施加到功率管T的栅极，而稳压管ZD1反应不过来，过高的栅级电压可能会导致功率管T的栅级被击穿。
发明内容
为了减少功率管T被击穿的情况，本申请提供一种氮化镓驱动电路。
本申请提供的一种氮化镓驱动电路，采用如下的技术方案：
一种氮化镓驱动电路，包括比较器CMP1、比较器CMP2和第一开关单元，所述比较器CMP1的同相端与驱动芯片、比较器CMP2的反相端连接，比较器CMP1的反相端与比较器CMP2的同相端、基准电压Vref连接，比较器CMP1的输出端与功率管T的栅极连接，所述比较器CMP2的输出端与第一开关单元的控制端连接，所述第一开关单元的输入端与比较器CMP1的输出端、功率管T的栅极连接，第一开关单元的输出端接地。
通过采用上述技术方案，当驱动芯片的PWM驱动信号小于基准电压Vref时，比较器CMP1输出低电平，比较器CMP2输出高电平使第一开关单元导通，强制将功率管T的栅级电压拉到低电平，使功率管T快速关断，可减少因功率管T关断后，功率管T自身的寄生电容充电使栅电压抬高而误启动的情况；当PWM驱动信号大于基准电压Vref时,比较器CMP1输出高电平到功率管T的栅级，使功率管T导通，且比较器CMP2输出低电平，第一开关单元截至。通过比较器CMP1输出高电平使功率管T导通，减少了因稳压管反应不过来而导致功率管T的栅级被击穿的情况。
优选的，所述第一开关单元采用MOS管。
通过采用上述技术方案，MOS管可承受较大的电流，寿命长。
优选的，还包括电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的一端与比较器CMP1的输出端连接，电阻R1的另一端与功率管T的栅极连接，所述电阻R2的一端与电阻R1、功率管T的栅极，电阻R2的另一端与第一开关单元的输入端连接。
优选的，还包括电阻R3，所述电阻R3的一端与功率管T的栅极连接，电阻R3的另一端接地。
通过采用上述技术方案，电阻R1和电阻R2起到分压作用，电阻R1可减小施加给功率管T的驱动电压，电阻R2可减小功率管T的截止电压，进一步减少功率管T的栅级被击穿的情况。在出现PWM驱动信号等于基准电压Vref的虚拟电压时，电阻R3可起到滤波作用，减少虚拟电压的影响。
优选的，还包括稳压电路，所述稳压电路用于给比较器CMP1和比较器CMP2供电。
优选的，所述稳压电路包括第二开关单元、单向导通单元、电阻R4、第三开关单元、比较器CMP3、电容C和分压单元，所述第二开关单元的输入端与HVpower端、电阻R4的一端连接，第二开关单元的输出端与单向导通单元的输入端连接，第二开关单元的控制端与电阻R4的另一端、第三开关单元的输入端连接；所述单向导通单元的输出端与VCC端、分压单元连接；所述第三开关单元的输出端接地，第三开关单元的控制端与比较器CMP3的输出端连接；所述比较器CMP3的反相端与基准电压Vref连接，比较器CMP3的同相端与分压单元连接；所述分压单元的输入端与单向导通单元、VCC端连接，分压单元的输出端接地；所述电容C的一端与VCC端连接，电容C的另一端接地。
优选的，所述第二开关单元和第三开关单元采用MOS管。
通过采用上述技术方案，电路上电启动时，VCC端、电容C的电压为0V，比较器CMP3的输出为低电平，第三开关单元关断，第二开关单元的栅极电压通过电阻R4拉高，第二开关单元导通，电流从HVpower端流经第二开关单元、二极管D1给电容C充电。
当电阻R6的分压电压大于基准电压Vref时，比较器CMP3的输出变为高电平，第三开关单元导通，第二开关单元的栅极变为低电平，第二开关单元关断，电流流经电阻R4、第三开关单元后到地。
当分压电压小于基准电压Vref时，比较器CMP3的输出为低电平，第三开关单元关断，第二开关单元导通，电源HVpower可对VCC端的电压进行补充，以维持VCC端的电压的稳定性。通过稳压电压提供稳定的5V电压，比较器CMP1可输出5V电压驱动功率管T导通，进一步减少功率管T的栅级被击穿的情况。
优选的，所述稳压电路还包括稳压管ZD2，所述稳压管ZD2的阳极与第二开关单元的输出端连接，稳压管ZD2的阴极与第二开关单元的控制端连接。
通过采用上述技术方案，稳压管ZD2能稳定第二开关单元的栅极电压，使第二开关单元快速开启。
优选的，所述单向导通单元采用二极管D1，二极管D1的阳极与第二开关单元的输出端连接，二极管D1的阴极与分压单元连接。
通过采用上述技术方案，二极管D1可起到隔离作用，减少电流回流。
优选的，所述分压单元包括电阻R5和电阻R6，所述电阻R5的一端与单向导通单元、VCC端连接，电阻R5的另一端与比较器CMP3的同相端、电阻R6的一端连接，所述电阻R6的另一端接地。
通过采用上述技术方案，电阻R5和电阻R6起到分压限流作用，简单且成本低。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过比较器CMP1输出高电平使功率管T导通，减少了因稳压管反应不过来而导致功率管T的栅级被击穿的情况；
2.电阻R1可减小功率管T驱动导通电压，电阻R2可减小功率管T驱动截止电压，进一步减少功率管T的栅级被击穿的情况；电阻R3可起到滤波作用，减少虚拟电压的影响。
3.通过稳压电压提供稳定的5V电压，比较器CMP1可输出5V电压驱动功率管T导通，进一步减少功率管T的栅级被击穿的情况。
附图说明
图1是相关技术中一种氮化镓驱动电路的电路图；
图2是本申请实施例1中一种氮化镓驱动电路的电路图；
图3是本申请实施例2中稳压电路的电路图；
图4是本申请实施例3中稳压电路的电路图；
图5是本申请实施例4中带隙基准电路的电路图。
附图标记说明：
10、第一开关单元；20、第二开关单元；30、单向导通单元；40、第三开关单元；50、分压单元。
具体实施方式
以下结合附图1-5对本申请作进一步详细说明。
相关技术公开一种氮化镓驱动电路，参考图1，当驱动芯片开启PMOS管Q1时，电流经过电阻R1，电容C和电阻R3后驱动功率管T导通，电容C充电，此时，电容C的两端为左正右负；当驱动芯片开启NMOS管Q2时，电容C的左端通过NMOS管Q2接地，因为电容C两端电压不能突变，此时，电容C右端为负，使功率管T快速关断。
其中，稳压管ZD1的稳压值为5.6V，稳压管ZD1用于保护功率管T。在稳态状态下，电阻R3中电流可能为零，使得功率管T存在误关断的情况。通过电容C形成的负压可快速关断功率管T，提高驱动电路的可靠性，但是，负压的负压值与稳压管ZD1的稳压值相等，大约为-5.6V，且该负压值不可调，而驱动电路的输出电压的最高值等于电源电压减去稳压管ZD1的稳压值，而驱动芯片的电源电压一般为12V-15V，在启动瞬间，输出电压可通过电容C施加到功率管T的栅极，而稳压管ZD1反应不过来，过高的栅级电压可能会导致功率管T的栅级被击穿。在用于替换传统的硅MOS管时，需要在原本的电路中增加RC电路或专用驱动芯片，不利于推广。
本申请实施例公开一种氮化镓驱动电路。
实施例1
参照图2，氮化镓驱动电路包括比较器CMP1、比较器CMP2和第一开关单元10，比较器CMP1的同相端与驱动芯片、比较器CMP2的反相端连接，比较器CMP1的反相端与比较器CMP2的同相端、基准电压Vref连接，比较器CMP1的输出端与功率管T的栅极连接，比较器CMP2的输出端与第一开关单元10的控制端连接，第一开关单元10的输入端与比较器CMP1的输出端、功率管T的栅极连接，第一开关单元10的输出端接地。
在本实施例中，第一开关单元10采用MOS管N1，MOS管N1为N型MOS管；在其他实施例中，第一开关单元10也可采用三极管。其中，MOS管N1的漏极与比较器CMP1的输出端、功率管T的栅极连接，MOS管N1的栅极与比较器CMP2的输出端连接，MOS管N1的源极接地。
可选的，氮化镓驱动电路还包括电阻R1、电阻R2和电阻R3，其中，电阻R1的一端与比较器CMP1的输出端连接，电阻R1的另一端与功率管T的栅极连接；电阻R2的一端与电阻R1、功率管T的栅极，电阻R2的另一端与MOS管N1的漏极连接；电阻R3的一端与功率管T的栅极连接，电阻R3的另一端接地。
电阻R1和电阻R2起到分压作用，电阻R1可减小施加给功率管T的驱动电压，电阻R2可减小功率管T的截止电压，进一步减少功率管T的栅级被击穿的情况。在出现中间值时，即PWM驱动信号等于基准电压Vref，电阻R3可起到滤波作用，以减少虚拟电压的影响。
实施例1的实施原理为：当驱动芯片的PWM驱动信号小于基准电压Vref时，比较器CMP1输出低电平，比较器CMP2输出高电平使第一开关单元10导通，强制将功率管T的栅级电压拉到低电平，使功率管T快速关断，可减少因功率管T关断后，功率管T自身的寄生电容充电使栅电压抬高而误启动的情况；当PWM驱动信号大于基准电压Vref时,比较器CMP1输出高电平到功率管T的栅级，使功率管T导通，且比较器CMP2输出低电平，第一开关单元10截至。通过比较器CMP1输出高电平使功率管T导通，减少了因稳压管反应不过来而导致功率管T的栅级被击穿的情况。
实施例2
参照图3，本实施例与实施例1的不同之处在于，氮化镓驱动电路还包括稳压电路，稳压电路用于给比较器CMP1和比较器CMP2供电。
稳压电路包括第二开关单元20、单向导通单元30、电阻R4、第三开关单元40、比较器CMP3、电容C和分压单元50，其中，第二开关单元20的输入端与HVpower端、电阻R4的一端连接，第二开关单元20的输出端与单向导通单元30的输入端连接，第二开关单元20的控制端与电阻R4的另一端、第三开关单元40的输入端连接；单向导通单元30的输出端与VCC端、分压单元50连接；第三开关单元40的输出端接地，第三开关单元40的控制端与比较器CMP3的输出端连接；比较器CMP3的反相端与基准电压Vref连接，比较器CMP3的同相端与分压单元50连接；分压单元50的输入端与单向导通单元30、VCC端连接，分压单元50的输出端接地；电容C的一端与VCC端连接，电容C的另一端接地，VCC端的输出电压为5V。
在本实施例中，第二开关单元20采用MOS管N2，第三开关单元40采用MOS管N3，MOS管N2和MOS管N3为N型MOS管；在其他实施例中，第二开关单元20、第三开关单元40也可采用三极管。其中，MOS管N2的漏极与HVpower端、电阻R4的一端连接；MOS管N2的源极与单向导通单元30的输入端连接，MOS管N2的栅极与电阻R4的另一端、MOS管N3的漏极连接；MOS管N3的栅极与比较器CMP3的输出端连接，MOS管N3的源极接地。
可选的，稳压电路还包括稳压管ZD2，稳压管ZD2的阳极与MOS管N2的源极连接，稳压管ZD2的阴极与MOS管N2的栅极连接。
在本实施例中，单向导通单元30采用二极管D1，二极管D1的阳极与MOS管N2的源极连接，二极管D1的阴极与分压单元50连接。
在本实施例中，分压单元50包括电阻R5和电阻R6，电阻R5的一端与二极管D1的阴极、VCC端连接，电阻R5的另一端与比较器CMP3的同相端、电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端接地。
实施例2的实施原理为：电路上电启动时，VCC端、电容C的电压为0V，比较器CMP3的输出为低电平，第三开关单元40关断，第二开关单元20的栅极电压通过电阻R4拉高，第二开关单元20导通，电流从HVpower端流经第二开关单元20、二极管D1给电容C充电。
其中，当电阻R6的分压电压大于基准电压Vref时，即VCC端的电压大于5V，比较器CMP3的输出变为高电平，第三开关单元40导通，第二开关单元20的栅极变为低电平，第二开关单元20关断，电流流经电阻R4、第三开关单元40后到地。
当电阻R6的分压电压小于基准电压Vref时，即VCC端的电压小于5V，比较器CMP3的输出为低电平，第三开关单元40关断，第二开关单元20导通，电源HVpower给电容C充电及VCC端供电，以维持VCC端电压的稳定性，比较器CMP1可输出稳定的5V电压，以驱动功率管T导通。
实施例3
参照图4，本实施例与实施例2的不同之处在于，单向导通单元30采用MOS管N4，MOS管N4为N型MOS管，MOS管N4的栅极与MOS管N4的漏极连接，MOS管N4的漏极与第一MOS管N1的源极连接，MOS管N4的源极与第二电阻R2连接。
实施例4
参考图5，基准电压Vref可由带隙基准电路提供，其中，稳压电路还用于给带隙基准电路供电。其中，可将驱动电路、带隙基准电路和功率管T封装成单一零件，例如，封装成TO-220F样式，可直接替换电路中传统的硅MOS管，不需要对原本的电路进行更改，便于推广。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氮化镓驱动电路，其特征在于，包括比较器CMP1、比较器CMP2、稳压电路和第一开关单元(10)，所述比较器CMP1的同相端与驱动芯片、比较器CMP2的反相端连接，比较器CMP1的反相端与比较器CMP2的同相端、基准电压Vref连接，比较器CMP1的输出端与功率管T的栅极连接，所述比较器CMP2的输出端与第一开关单元(10)的控制端连接，所述第一开关单元(10)的输入端与比较器CMP1的输出端、功率管T的栅极连接，第一开关单元(10)的输出端接地；所述稳压电路用于给比较器CMP1和比较器CMP2供电，所述稳压电路包括第二开关单元(20)、单向导通单元(30)、电阻R4、第三开关单元(40)、比较器CMP3、电容C和分压单元(50)，所述第二开关单元(20)的输入端与HVpower端、电阻R4的一端连接，第二开关单元(20)的输出端与单向导通单元(30)的输入端连接，第二开关单元(20)的控制端与电阻R4的另一端、第三开关单元(40)的输入端连接；所述单向导通单元(30)的输出端与VCC端、分压单元(50)连接；所述第三开关单元(40)的输出端接地，第三开关单元(40)的控制端与比较器CMP3的输出端连接；所述比较器CMP3的反相端与基准电压Vref连接，比较器CMP3的同相端与分压单元(50)连接；所述分压单元(50)的输入端与单向导通单元(30)、VCC端连接，分压单元(50)的输出端接地；所述电容C的一端与VCC端连接，电容C的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的氮化镓驱动电路，其特征在于，所述第一开关单元(10)采用MOS管。
3.根据权利要求1所述的氮化镓驱动电路，其特征在于，还包括电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的一端与比较器CMP1的输出端连接，电阻R1的另一端与功率管T的栅极连接，所述电阻R2的一端与电阻R1、功率管T的栅极，电阻R2的另一端与第一开关单元(10)的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的氮化镓驱动电路，其特征在于，还包括电阻R3，所述电阻R3的一端与功率管T的栅极连接，电阻R3的另一端接地。
5.根据权利要求1所述的氮化镓驱动电路，其特征在于，所述第二开关单元(20)和第三开关单元(40)采用MOS管。
6.根据权利要求5所述的氮化镓驱动电路，其特征在于，所述稳压电路还包括稳压管ZD2，所述稳压管ZD2的阳极与第二开关单元(20)的输出端连接，稳压管ZD2的阴极与第二开关单元(20)的控制端连接。
7.根据权利要求6所述的氮化镓驱动电路，其特征在于，所述单向导通单元(30)采用二极管D1，二极管D1的阳极与第二开关单元(20)的输出端连接，二极管D1的阴极与分压单元(50)连接。
8.根据权利要求1所述的氮化镓驱动电路，其特征在于，所述分压单元(50)包括电阻R5和电阻R6，所述电阻R5的一端与单向导通单元(30)、VCC端连接，电阻R5的另一端与比较器CMP3的同相端、电阻R6的一端连接，所述电阻R6的另一端接地。
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