CN118100882B - 一种常开耗尽型开关器件的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种常开耗尽型开关器件的驱动电路，涉及开关器件的驱动电路领域，包括：耗尽型GaN器件的栅极分别与开通电阻的一端以及关断电阻的一端相连接；耗尽型GaN器件的源极与驱动供电电压VCC相连接；开通电阻的另一端与NPN型三极管的发射极相连接；NPN型三极管的集电极与驱动供电电压VCC相连接；关断电阻的另一端与PNP型三极管的发射极相连接；PNP型三极管的集电极与驱动供电电压VCC的地连接；PNP型三极管的基极以及NPN型三极管的基极均连接信号脉冲；耗尽型GaN器件的开通或关断由信号脉冲进行驱动控制。本发明能够避免级联中低压Si MOSFET器件存在带来的开关速度变慢，带来的反向恢复问题以及级联GaN产品应用场景受限等问题。

Description

一种常开耗尽型开关器件的驱动电路
技术领域
本发明涉及开关器件的驱动电路领域，特别是涉及一种常开耗尽型开关器件的驱动电路。
背景技术
耗尽型氮化镓（D mode GaN）如图1所示，电流能力强，但是其阈值电压为负值，栅源之间需要负电压驱动才能关断，一般级联一个低压Si MOSFET器件，其拓扑结构如图2所示。
开通时，Si MOSFET器件的栅源之间电压为高电平，Si MOSFET器件的漏源之间的电压为0，即GaN的栅源之间电压为0，所以GaN沟道开通；关断时，Si MOSFET器件的栅源之间电压为低电平，负载给Si MOSFET器件的Coss充电，导致Si MOSFET器件漏源之间电压上升，当此电压上升到GaN的阈值电压以上时，GaN关断，负载继续给Si MOSFET器件和GaN的结电容充电，当总体Vds电压上升到母线电压时候，负载停止给结电容充电。
如图2所示的级联GaN器件内部有2个DIE，一个为Si MOSFET Die，另外一个为耗尽型GaN DIE，且级联GaN器件的驱动是直接驱动内部的Si MOSFET DIE的，由于Si MOSFET的栅极电荷Qg比较大，因此，驱动速度慢，Si MOSFET器件还存在反向恢复负荷的问题，级联内部2个DIE之间的开关滞后导致不易在更高频率下工作，同时级联GaN器件内部本身存在一个低压SI MOSFET，因此级联GaN不适宜做低压级联GaN器件；级联GaN器件内部的2个die，存在2个阈值电压，容易受多个因素的扰动，因此级联GaN不易并联。
发明内容
本发明的目的是提供一种常开耗尽型开关器件的驱动电路，以解决耗尽型器件需要通过级联低压Si MOSFET来驱动，导致开关速度慢、存在反向恢复负荷以及应用场景受限的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种常开耗尽型开关器件的驱动电路，包括：耗尽型GaN器件、PNP型三极管、NPN型三极管、开通电阻以及关断电阻；
所述耗尽型GaN器件的栅极分别与所述开通电阻的一端以及所述关断电阻的一端相连接；所述耗尽型GaN器件的源极与驱动供电电压VCC相连接；
所述关断电阻的另一端与所述PNP型三极管的发射极相连接；所述PNP型三极管的集电极与所述驱动供电电压VCC的地相连接；
所述开通电阻的另一端与所述NPN型三极管的发射极相连接；所述NPN型三极管的集电极与所述驱动供电电压VCC相连接；
所述PNP型三极管的基极以及所述NPN型三极管的基极均连接信号脉冲；所述耗尽型GaN器件的开通或关断由所述信号脉冲进行驱动控制。
可选的，所述信号脉冲为PWM驱动信号；
当所述PWM驱动信号为高电平时，所述NPN型三极管开通，所述驱动供电电压VCC通过所述开通电阻加到所述耗尽型GaN器件的栅极，耗尽型GaN器件栅极电荷通过开通的所述的NPN型三极管泄放掉，所述耗尽型GaN器件开通。
可选的，当所述PWM驱动信号为高电压时，所述耗尽型GaN器件的栅极电荷通过开通的NPN型三极管泄放掉，所述耗尽型GaN器件的栅极和源极之间的电压为0V。
可选的，当所述PWM驱动信号为低电压时，所述NPN型三极管关断，所述PNP型三极管开通，所述驱动供电电压VCC通过所述开通的PNP型三极管给所述耗尽型GaN器件的栅极充电，栅源电压为-VCC，所述耗尽型GaN器件关断。
可选的，所述驱动供电电压VCC为大于所述耗尽型GaN器件的阈值电压的绝对值。
可选的，当所述PWM驱动信号为低电压时，所述耗尽型GaN器件的栅极的电势为0，所述耗尽型GaN器件的栅极和源极之间的电压为-VCC；VCC为驱动供电电压。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明实施例提供了一种常开耗尽型开关器件的驱动电路，GaN器件的源极与供电电压驱动供电电压VCC相连接，即与供电电压相连接，利用与PNP型三极管的基极以及NPN型三极管的基极连接的信号脉冲，通过开通电阻以及关断电阻，直接驱动GaN器件的开通或关断，不需要Si MOSFET器件，避免了级联低压Si MOSFET器件所存在的开关速度慢、存在反向恢复负荷的问题以及级联GaN器件应用场景受限等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为耗尽型GaN器件示意图；
图2为级联低压Si MOSFET器件的耗尽型GaN器件示意图；
图3为本发明所提供的常开耗尽型开关器件的驱动电路图；
图4为本发明所提供的驱动电路封装成IC后的示意图；
图5为本发明所提供的驱动电阻外置的图4的示意图；
图6为使用本发明所提供的驱动电路驱动耗尽型GaN器件半桥的应用电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种常开耗尽型开关器件的驱动电路，避免了级联低压SiMOSFET器件所存在的速度慢、存在反向恢复负荷的问题以及级联GaN产品受限等问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种常开耗尽型开关器件的驱动电路，包括：GaN器件、PNP型三极管、NPN型三极管、开通电阻Ron以及关断电阻Roff。
所述耗尽型GaN器件的栅极分别与所述开通电阻Ron的一端以及所述关断电阻Roff的一端相连接；所述耗尽型GaN器件的源极与驱动供电电压VCC相连接。所述耗尽型GaN器件的漏极与现有的MOSFET器件的漏极连接方式相同，在不同电路拓扑应用中漏极的接法不同，在此不再进行赘述。
所述开通电阻Ron的另一端与所述NPN型三极管的发射极相连接；所述NPN型三极管的集电极与所述驱动供电电压VCC相连接。
所述关断电阻Roff的另一端与所述PNP型三极管的发射极相连接；所述PNP型三极管的集电极与所述驱动供电电压VCC的地相连接。
所述PNP型三极管的基极以及所述NPN型三极管的基极均连接信号脉冲；所述耗尽型GaN器件的开通或关断由所述信号脉冲进行驱动控制。
在实际应用中，所述信号脉冲为PWM驱动信号；当所述PWM驱动信号为高电平时，所述NPN型三极管开通，所述驱动供电电压VCC的供电电压通过所述开通电阻Ron加到所述耗尽型GaN器件的栅极，耗尽型GaN器件栅极电荷通过开通的所述的NPN型三极管泄放掉，所述耗尽型GaN器件开通。
在实际应用中，所述耗尽型GaN器件的栅极和源极之间的电压为0V。
在实际应用中，当所述PWM驱动信号为低电压时，所述NPN型三极管关断，所述PNP型三极管开通，所述驱动供电电压VCC通过所述开通的PNP型三极管给所述耗尽型GaN器件的栅极充电，使得所述耗尽型GaN器件的栅源电压为-VCC，所述耗尽型GaN器件关断。
在实际应用中，所述驱动供电电压VCC处的供电电压为大于所述耗尽型GaN器件阈值电压的绝对值。
在实际应用中，当所述PWM驱动信号为低电压时，所述耗尽型GaN器件的栅极的电势为0，所述耗尽型GaN器件的栅极和源极之间的电压为-VCC；VCC为所述驱动供电电压VCC处的供电电压。
在实际应用中，PNP型三极管可以为P MOS管，NPN型三极管可以为N MOS管，也可以是具有类似功能的驱动集成电路（integrated circuit，IC），如图4-图5所示。
GaN器件的Source脚（即源极）和供电电压VCC相连，工作过程如下：当IC的PWM驱动信号输入为高电平时，驱动IC的OUT或OUTH端口的输出电平为VCC，OUTL端口为高阻抗，GaN器件的栅极和源极之间的电压为0V，GaN器件开通；当PWM驱动信号输入为低电平时，驱动IC的OUT或OUTL端口的输出电平为0V，OUTH端口为高阻抗，GaN器件的栅极和源极之间的电压为-VCC，需要注意的是，VCC需要高于∣Vth∣，以保证GaN的栅源电压为-VCC时，能够关断GaN器件，其中，∣Vth∣为所述耗尽型GaN器件阈值电压的绝对值。
图6为一种在桥式应用中的实例，如图6所示，上管GaN器件的Source和上管GaN器件的驱动供电电压VCC1相连，下管GaN器件的Source和下管GaN器件的供电电压VCC2相连，并且驱动IC的OUTH端口的输出电平就是相关供电电压的电平，OUTL端口的输出电平就是相关供电电压的地电平信号，并且相关供电电压VCC需要高于∣Vth∣，以保证GaN器件能够正常的开通和关断。如果IC1和IC2是隔离驱动IC，PWM1和PWM2信号可以共地。
本发明通过在耗尽型器件的Source接VCC的方式，在不改变控制方式及逻辑以及无需电源系统产生负电压供电的条件下，实现耗尽型器件开通和关断功能，由于高频工作中不存在级联低压Si MOSFET器件，因此能够100%发挥耗尽型GaN器件的性能优势，打破了传统级联架构的级联低压Si MOSFET的限制；且驱动IC只要满足一定的条件（供电电压VCC>∣Vth∣，并且IC的输出高电平和VCC接近），就可以直接使用此驱动IC来驱动耗尽型GaN。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种常开耗尽型开关器件的驱动电路，其特征在于，包括：耗尽型GaN器件、PNP型三极管、NPN型三极管、开通电阻以及关断电阻；
所述耗尽型GaN器件的栅极分别与所述开通电阻的一端以及所述关断电阻的一端相连接；所述耗尽型GaN器件的源极与驱动供电电压VCC相连接；
所述关断电阻的另一端与所述PNP型三极管的发射极相连接；所述PNP型三极管的集电极与所述驱动供电电压VCC的地相连接；
所述开通电阻的另一端与所述NPN型三极管的发射极相连接；所述NPN型三极管的集电极与所述驱动供电电压VCC相连接；
所述PNP型三极管的基极以及所述NPN型三极管的基极均连接信号脉冲；所述耗尽型GaN器件的开通或关断由所述信号脉冲进行驱动控制；
所述信号脉冲为PWM驱动信号；当所述PWM驱动信号为高电平时，所述NPN型三极管开通，所述驱动供电电压VCC通过所述开通电阻加到所述耗尽型GaN器件的栅极，耗尽型GaN器件栅极电荷通过开通的所述的NPN型三极管泄放掉，所述耗尽型GaN器件开通；
当所述PWM驱动信号为低电压时，所述NPN型三极管关断，所述PNP型三极管开通，所述驱动供电电压VCC通过所述开通的PNP型三极管给所述耗尽型GaN器件的栅极充电，栅源电压为-VCC，所述耗尽型GaN器件关断；VCC为驱动供电电压。
2.根据权利要求1所述的常开耗尽型开关器件的驱动电路，其特征在于，当所述PWM驱动信号为高电压时，所述耗尽型GaN器件的栅极电荷通过开通的NPN型三极管泄放掉，所述耗尽型GaN器件的栅极和源极之间的电压为0V。
3.根据权利要求1所述的常开耗尽型开关器件的驱动电路，其特征在于，所述驱动供电电压VCC为大于所述耗尽型GaN器件的阈值电压的绝对值。
4.根据权利要求1所述的常开耗尽型开关器件的驱动电路，其特征在于，当所述PWM驱动信号为低电压时，所述耗尽型GaN器件的栅极的电势为0，所述耗尽型GaN器件的栅极和源极之间的电压为-VCC。
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