CN216490435U - 一种单片集成氮化镓芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单片集成氮化镓芯片，包括氮化镓功率器件和用于驱动所述氮化镓功率器件的驱动电路，所述驱动电路包括：半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路，所述半桥上拉驱动电路和所述半桥下拉驱动电路信号互补；第一驱动电压源，所述第一驱动电压源的阳极与所述半桥上拉驱动电路连接；第二驱动电压源，所述半桥上拉驱动电路和所述半桥下拉驱动电路均与所述第二驱动电压源的阳极连接。本实用新型的一种单片集成氮化镓芯片通过半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路同时为氮化镓功率器件提供驱动电压，同时由于半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路信号互补，使得氮化镓功率器件得到稳定、适宜的驱动电压。

Description

一种单片集成氮化镓芯片

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，尤其是指一种单片集成氮化镓芯片。

背景技术

氮化镓功率器件可以实现较高的开关频率、较高的系统效率和功率密度，然而氮化镓功率器件的驱动与硅、碳化硅器件不同，氮化镓器件的阈值电压较低，通常是1V到2V左右，而硅、碳化硅功率器件的阈值电压一般高于3V；氮化镓功率器件的开关速度快，有较高的电压和电流变化率；氮化镓的阈值较低，同时电压、电流变化率较高，来自电路板及器件本身的寄生参数会对应用系统造成较大的影响，会导致电压和电流尖峰，引起驱动振铃现象，使得系统效率降低。

参照图1-图2所示，现有的单片集成氮化镓芯片包含650V的高压氮化镓功率器件(1)，及低压耗尽型氮化镓功率器件(2)、低压增强型氮化镓功率器件(3)、驱动供电电源(4)这些器件组成的简单驱动电路，而因低压增强型氮化镓功率器件(3)开通时，驱动高压氮化镓功率器件(1)门极开通，此时该简单驱动电路的输出电压低于输入电压的值至少为驱动低压增强型氮化镓功率器件(3)开通所需的阈值电压，即小于驱动供电电源(4)的电压，使得该输出电压明显小于高压氮化镓功率器件(1)所需的驱动电压，导致高压氮化镓功率器件(1)无法在最优的驱动电压下启动。

实用新型内容

为此，本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术中驱动高压氮化镓功率器件门极开通时，该简单驱动电路的输出电压低于输入电压的值至少为驱动低压增强型氮化镓功率器件开通所需的阈值电压，即650V氮化镓功率器件无法在最优的驱动电压下启动的问题，并提供一种驱动电压适宜的单片集成氮化镓芯片。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种单片集成氮化镓芯片，包括氮化镓功率器件和用于驱动所述氮化镓功率器件的驱动电路，所述驱动电路包括：

半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路，所述半桥上拉驱动电路和所述半桥下拉驱动电路信号互补，所述半桥上拉驱动电路和所述半桥下拉驱动电路均与所述氮化镓功率器件连接；

第一驱动电压源，所述第一驱动电压源的阳极与所述半桥上拉驱动电路连接，所述半桥下拉驱动电路和所述氮化镓功率器件的源极均与所述第一驱动电压源的阴极连接；

第二驱动电压源，所述半桥上拉驱动电路和所述半桥下拉驱动电路均与所述第二驱动电压源的阳极连接，所述半桥下拉驱动电路和所述氮化镓功率器件的源极均与所述第二驱动电压源的阴极连接；

脉宽调制信号源，所述脉宽调制信号源的阳极与所述半桥下拉驱动电路连接，所述第二驱动电压源的阴极和所述半桥下拉驱动电路均与所述脉宽调制信号源的阴极连接；

电平转换器，所述电平转换器设置在所述脉宽调制信号源与所述半桥上拉驱动电路之间。

作为本实用新型的进一步改进，所述半桥上拉驱动电路包括第一低压耗尽型HEMT管、第一低压增强型HEMT管、第二低压增强型HEMT管、第三低压增强型HEMT管和第四低压增强型HEMT管，所述第一低压耗尽型HEMT管的漏极与所述第二驱动电压源的阳极连接，所述第一低压耗尽型HEMT管的栅极、所述第一低压增强型HEMT管的栅极和所述第二低压增强型的漏极均与所述第一低压耗尽型HEMT管的漏极连接，所述第一低压增强型HEMT管的漏极与所述第二驱动电压源的阳极连接，所述第三低压增强型HEMT管的漏极和所述第四低压增强型HEMT管的栅极均与所述第一低压增强型HEMT管的源极连接，所述第二低压增强型HEMT管的栅极与所述电平转换器连接，所述第二低压增强型HEMT管的源极与所述氮化镓功率器件的栅极连接，所述第三低压增强型HEMT管的栅极与所述第二低压增强型HEMT管的栅极连接，所述第三低压增强型HEMT管的源极与所述氮化镓功率器件的栅极连接，所述第四低压增强型HEMT管的漏极与所述电平转换器连接，所述第四低压增强型HEMT管的源极与所述氮化镓功率器件的栅极连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述半桥下拉驱动电路包括第二低压耗尽型HEMT管、第五低压增强型HEMT管、第六低压增强型HEMT管、第七低压增强型HEMT管和第八低压增强型HEMT管，所述第二低压耗尽型HEMT管的漏极与所述第二驱动电压源的阳极连接，所述第二低压耗尽型HEMT管的栅极、所述第六低压增强型HEMT管的漏极和所述第五低压增强型HEMT管的栅极均与所述第二低压耗尽型HEMT管的源极连接，所述第五低压增强型HEMT管的漏极与所述第二驱动电压源的阳极连接，所述第七低压增强型HEMT管的漏极和所述第八低压增强型HEMT管的栅极均与所述第五低压增强型HEMT管的源极连接，所述脉宽调制信号源的阳极和所述第七低压增强型HEMT管的栅极均与所述第六低压增强型HEMT管的栅极连接，所述脉宽调制信号源的阴极和所述第七低压增强型HEMT管的源极均与所述第六低压增强型HEMT管的源极连接，所述第七低压增强型HEMT管的源极与所述氮化镓功率器件的源极连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述半桥下拉驱动电路接地。

作为本实用新型的进一步改进，所述第六低压增强型HEMT管的源极和所述第七低压增强型HEMT管的源极均接地。

作为本实用新型的进一步改进，所述电平转换器包括第三低压耗尽型HEMT管和第九低压增强型HEMT管，所述第三低压耗尽型HEMT管的漏极与所述半桥上拉驱动电路连接，所述第三低压耗尽型HEMT管的栅极、所述第九低压增强型HEMT管的漏极和所述半桥上拉驱动电路均与所述第三低压耗尽型HEMT管的源极连接，所述第九低压增强型HEMT管的源极与所述脉宽调制信号源的阴极连接，所述第九低压增强型HEMT管的栅极与所述脉宽调制信号源连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述第二驱动电压源与所述半桥上拉驱动电路之间设置有自举二极管，所述自举二极管的阳极与所述第二驱动电压源的阳极连接，所述自举二极管的阴极与所述半桥上拉驱动电路连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述半桥上拉驱动电路与所述氮化镓功率器件之间设有自举电容。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本实用新型的一种单片集成氮化镓芯片通过半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路同时为氮化镓功率器件提供驱动电压，同时由于半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路信号互补，使得氮化镓功率器件得到稳定、适宜的驱动电压。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中：

图1是现有技术中单片集成氮化镓芯片的电路拓补图；

图2是现有技术中单片集成氮化镓芯片的电压与瞬态时间关系图；

图3是本实用新型优选实施例中单片集成氮化镓芯片的电路拓补图；

图4是本实用新型优选实施例中单片集成氮化镓芯片的电压与瞬态时间关系图。

说明书附图标记说明：1、氮化镓功率器件；2、第一驱动电压源；3、第二驱动电压源；4、脉宽调制信号源；5、电平转换器；51、第三低压耗尽型HEMT管；52、第九低压增强型HEMT管；6、第一低压耗尽型HEMT管；7、第一低压增强型HEMT管；8、第二低压增强型HEMT管；9、第三低压增强型HEMT管；10、第四低压增强型HEMT管；11、第二低压耗尽型HEMT管；12、第五低压增强型HEMT管；13、第六低压增强型HEMT管；14、第七低压增强型HEMT管；15、第八低压增强型HEMT管；16、自举二极管；17、自举电容。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”、“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当元件被称为“固设于”另一个元件，或与另一个元件“固定连接”，它们之间可以是可拆卸固定方式也可以是不可拆卸的固定方式。当一个元件被认为是“连接”、“转动连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在约束本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本实用新型中“第一”、“第二”、“第三”等类似用于不代表具体的数量及顺序，仅仅是用于名称的区分。

参照图3-图4所示，本实用新型的一种单片集成氮化镓芯片，包括氮化镓功率器件1和用于驱动氮化镓功率器件1的驱动电路，驱动电路包括：

半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路，半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路信号互补，半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路均与氮化镓功率器件1连接；

第一驱动电压源2，第一驱动电压源2的阳极与半桥上拉驱动电路连接，半桥下拉驱动电路和氮化镓功率器件1的源极均与第一驱动电压源2的阴极连接；

第二驱动电压源3，半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路均与第二驱动电压源3的阳极连接，半桥下拉驱动电路和氮化镓功率器件1的源极均与第二驱动电压源3的阴极连接；

脉宽调制信号源4，脉宽调制信号源4的阳极与半桥下拉驱动电路连接，第二驱动电压源3的阴极和半桥下拉驱动电路均与脉宽调制信号源4的阴极连接；

电平转换器5，电平转换器5设置在脉宽调制信号源4与半桥上拉驱动电路之间。

第一驱动电压源2和第二驱动电压源3提供的输出电压经过半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路的调节、整合后，能够达到氮化镓功率器件1启动所需的适宜电压，从而为氮化镓功率器件1提供适宜的驱动电压；同时，由于脉宽调制信号源4能够根据相应载荷的变化来调制晶体管或HEMT管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变，即能够使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，利用微处理器的数字信号对电路进行控制；另一方面，通过电平转换器5将输入信号的相位反转180度，使得驱动电路的输入电压、输出电压保持同相。

在其中一实施例中，参照图3所示，半桥上拉驱动电路包括第一低压耗尽型HEMT管6、第一低压增强型HEMT管7、第二低压增强型HEMT管8、第三低压增强型HEMT管9和第四低压增强型HEMT管10，第一低压耗尽型HEMT管6的漏极与第二驱动电压源3的阳极连接，第一低压耗尽型HEMT管6的栅极、第一低压增强型HEMT管7的栅极和第二低压增强型的漏极均与第一低压耗尽型HEMT管6的漏极连接，第一低压增强型HEMT管7的漏极与第二驱动电压源3的阳极连接，第三低压增强型HEMT管9的漏极和第四低压增强型HEMT管10的栅极均与第一低压增强型HEMT管7的源极连接，第二低压增强型HEMT管8的栅极与电平转换器5连接，第二低压增强型HEMT管8的源极与氮化镓功率器件1的栅极连接，第三低压增强型HEMT管9的栅极与第二低压增强型HEMT管8的栅极连接，第三低压增强型HEMT管9的源极与氮化镓功率器件1的栅极连接，第四低压增强型HEMT管10的漏极与电平转换器5连接，第四低压增强型HEMT管10的源极与氮化镓功率器件1的栅极连接；

其中，HEMT管为高电子迁移率管，是场效应晶体管的一种，它使用两种具有不同能隙的材料形成异质结，为载流子提供沟道，而非金属氧化物半导体场效应管那样，直接使用掺杂的半导体而不是结来形成导电沟道；其依靠电场去控制导电沟道形状，因此能控制半导体材料中某种类型载流子的沟道的导电性；

运行时，第二低压增强型HEMT管8和第三低压增强型HEMT管9关断时，第一低压耗尽型HEMT管6为常开型器件，其栅极和源极相连，使其源极的电压与其漏极的电压相当，近似等于第一驱动电压源2的电压，同时由于第一低压耗尽型HEMT管6的源极与第一低压增强型HEMT管7的栅极连接，在第一低压增强型HEMT管7的源极电压低于其栅极电压的值大于第一低压增强型HEMT管7的阈值电压时，第一低压增强型HEMT管7开通，从而为氮化镓功率器件1的栅极开通提供一部分电压，同时，半桥下拉驱动电路提供另一部分电压，从而为氮化镓功率器件1的栅极开通提供适宜的驱动电压，并通过半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路的信号互补及时地调整两个电路的输出电压，从而保持氮化镓功率器件1栅极处的电压稳定；

需要说明的是，由于半桥下拉驱动电路与半桥上拉驱动电路的信号互补作用，使得第四低压增强型HEMT管10的源极电压与第一驱动电压源2供电电压的差值不需要超过第四低压增强型HEMT管10的阈值电压，因此保证了驱动电路的输出电压与输入电压更接近。

在其中一实施例中，参照图3所示，半桥下拉驱动电路包括第二低压耗尽型HEMT管11、第五低压增强型HEMT管12、第六低压增强型HEMT管13、第七低压增强型HEMT管14和第八低压增强型HEMT管15，第二低压耗尽型HEMT管11的漏极与第二驱动电压源3的阳极连接，第二低压耗尽型HEMT管11的栅极、第六低压增强型HEMT管13的漏极和第五低压增强型HEMT管12的栅极均与第二低压耗尽型HEMT管11的源极连接，第五低压增强型HEMT管12的漏极与第二驱动电压源3的阳极连接，第七低压增强型HEMT管14的漏极和第八低压增强型HEMT管15的栅极均与第五低压增强型HEMT管12的源极连接，脉宽调制信号源4的阳极和第七低压增强型HEMT管14的栅极均与第六低压增强型HEMT管13的栅极连接，脉宽调制信号源4的阴极和第七低压增强型HEMT管14的源极均与第六低压增强型HEMT管13的源极连接，第七低压增强型HEMT管14的源极与氮化镓功率器件1的源极连接。

运行时，第六低压增强型HEMT管13和第七低压增强型HEMT管14关断，第二低压耗尽型HEMT管11为常开型器件，其栅极和源极相连，使得其源极的电压和其漏极的电压相当，近似等于第二驱动电压源3的电压，由于第二低压耗尽型HEMT管11的源极与第五低压增强型HEMT管12的栅极连接，当第五低压增强型HEMT管12的源极电压低于其门极电压的值超过第五低压增强型HEMT管12的阈值电压时，第五低压增强型HEMT管12开通，随后通过第八低压增强型HEMT管15后为氮化镓功率器件1的栅极提供驱动电压，同时，半桥上拉驱动电路提供另一部分电压，从而为氮化镓功率器件1的栅极开通提供适宜的驱动电压，并通过半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路的信号互补及时地调整两个电路的输出电压，从而保持氮化镓功率器件1栅极处的电压稳定；

需要说明的是，第一驱动电压源2的阴极可以经过脉宽调制信号源4的阴极、第二驱动电压源3的阴极、第六低压增强型HEMT管13的源极、第七低压增强型HEMT管14的源极、第八低压增强型HEMT管15的源极后与氮化镓功率器件1的源极连接。

在一些实施例中，参照图3所示，半桥下拉驱动电路接地。能够为电路提供保护作用，保持其稳定性。

优选的，参照图3所示，第六低压增强型HEMT管13的源极和第七低压增强型HEMT管14的源极均接地。

在一些实施例中，参照图3所示，电平转换器5包括第三低压耗尽型HEMT管51和第九低压增强型HEMT管52，第三低压耗尽型HEMT管51的漏极与半桥上拉驱动电路连接，第三低压耗尽型HEMT管51的栅极、第九低压增强型HEMT管52的漏极和半桥上拉驱动电路均与第三低压耗尽型HEMT管51的源极连接，第九低压增强型HEMT管52的源极与脉宽调制信号源4的阴极连接，第九低压增强型HEMT管52的栅极与脉宽调制信号源4连接。通过第三低压耗尽型HEMT管51和第九低压增强型HEMT管52转换电平的同时起到反相作用，使得该电路的输入电压与输出电压同相。

在一些实施例中，参照图3所示，第二驱动电压源3与半桥上拉驱动电路之间设置有自举二极管16，自举二极管16的阳极与第二驱动电压源3的阳极连接，自举二极管16的阴极与半桥上拉驱动电路连接。利用自举二极管16的升压作用，拉高半桥上拉驱动电路的输出电压，与半桥下拉驱动电路的输出电压组合，以达到氮化镓功率器件1栅极的适宜驱动电压。

在一些实施例中，参照图3所示，半桥上拉驱动电路与氮化镓功率器件1之间设有自举电容17。通过自举电容17与自举二极管16配合，进一步便于半桥上拉驱动电路的升压。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种单片集成氮化镓芯片，包括氮化镓功率器件和用于驱动所述氮化镓功率器件的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路包括：

半桥上拉驱动电路和半桥下拉驱动电路，所述半桥上拉驱动电路和所述半桥下拉驱动电路信号互补，所述半桥上拉驱动电路和所述半桥下拉驱动电路均与所述氮化镓功率器件连接；

第一驱动电压源，所述第一驱动电压源的阳极与所述半桥上拉驱动电路连接，所述半桥下拉驱动电路和所述氮化镓功率器件的源极均与所述第一驱动电压源的阴极连接；

第二驱动电压源，所述半桥上拉驱动电路和所述半桥下拉驱动电路均与所述第二驱动电压源的阳极连接，所述半桥下拉驱动电路和所述氮化镓功率器件的源极均与所述第二驱动电压源的阴极连接；

脉宽调制信号源，所述脉宽调制信号源的阳极与所述半桥下拉驱动电路连接，所述第二驱动电压源的阴极和所述半桥下拉驱动电路均与所述脉宽调制信号源的阴极连接；

电平转换器，所述电平转换器设置在所述脉宽调制信号源与所述半桥上拉驱动电路之间。

2.根据权利要求1所述的一种单片集成氮化镓芯片，其特征在于，所述半桥上拉驱动电路包括第一低压耗尽型HEMT管、第一低压增强型HEMT管、第二低压增强型HEMT管、第三低压增强型HEMT管和第四低压增强型HEMT管，所述第一低压耗尽型HEMT管的漏极与所述第二驱动电压源的阳极连接，所述第一低压耗尽型HEMT管的栅极、所述第一低压增强型HEMT管的栅极和所述第二低压增强型的漏极均与所述第一低压耗尽型HEMT管的漏极连接，所述第一低压增强型HEMT管的漏极与所述第二驱动电压源的阳极连接，所述第三低压增强型HEMT管的漏极和所述第四低压增强型HEMT管的栅极均与所述第一低压增强型HEMT管的源极连接，所述第二低压增强型HEMT管的栅极与所述电平转换器连接，所述第二低压增强型HEMT管的源极与所述氮化镓功率器件的栅极连接，所述第三低压增强型HEMT管的栅极与所述第二低压增强型HEMT管的栅极连接，所述第三低压增强型HEMT管的源极与所述氮化镓功率器件的栅极连接，所述第四低压增强型HEMT管的漏极与所述电平转换器连接，所述第四低压增强型HEMT管的源极与所述氮化镓功率器件的栅极连接。

3.根据权利要求1所述的一种单片集成氮化镓芯片，其特征在于，所述半桥下拉驱动电路包括第二低压耗尽型HEMT管、第五低压增强型HEMT管、第六低压增强型HEMT管、第七低压增强型HEMT管和第八低压增强型HEMT管，所述第二低压耗尽型HEMT管的漏极与所述第二驱动电压源的阳极连接，所述第二低压耗尽型HEMT管的栅极、所述第六低压增强型HEMT管的漏极和所述第五低压增强型HEMT管的栅极均与所述第二低压耗尽型HEMT管的源极连接，所述第五低压增强型HEMT管的漏极与所述第二驱动电压源的阳极连接，所述第七低压增强型HEMT管的漏极和所述第八低压增强型HEMT管的栅极均与所述第五低压增强型HEMT管的源极连接，所述脉宽调制信号源的阳极和所述第七低压增强型HEMT管的栅极均与所述第六低压增强型HEMT管的栅极连接，所述脉宽调制信号源的阴极和所述第七低压增强型HEMT管的源极均与所述第六低压增强型HEMT管的源极连接，所述第七低压增强型HEMT管的源极与所述氮化镓功率器件的源极连接。

4.根据权利要求3所述的一种单片集成氮化镓芯片，其特征在于，所述半桥下拉驱动电路接地。

5.根据权利要求4所述的一种单片集成氮化镓芯片，其特征在于，所述第六低压增强型HEMT管的源极和所述第七低压增强型HEMT管的源极均接地。

6.根据权利要求1所述的一种单片集成氮化镓芯片，其特征在于，所述电平转换器包括第三低压耗尽型HEMT管和第九低压增强型HEMT管，所述第三低压耗尽型HEMT管的漏极与所述半桥上拉驱动电路连接，所述第三低压耗尽型HEMT管的栅极、所述第九低压增强型HEMT管的漏极和所述半桥上拉驱动电路均与所述第三低压耗尽型HEMT管的源极连接，所述第九低压增强型HEMT管的源极与所述脉宽调制信号源的阴极连接，所述第九低压增强型HEMT管的栅极与所述脉宽调制信号源连接。

7.根据权利要求1所述的一种单片集成氮化镓芯片，其特征在于，所述第二驱动电压源与所述半桥上拉驱动电路之间设置有自举二极管，所述自举二极管的阳极与所述第二驱动电压源的阳极连接，所述自举二极管的阴极与所述半桥上拉驱动电路连接。

8.根据权利要求7所述的一种单片集成氮化镓芯片，其特征在于，所述半桥上拉驱动电路与所述氮化镓功率器件之间设有自举电容。

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