一种GaN栅驱动电路的系统保护方法技术方案

一种GaN栅驱动电路的系统保护方法，属于电子电路技术领域。GaN栅驱动电路直接驱动GaN功率管，将GaN功率管与Si基驱动器安装在同一个低热阻热传导材料上，通过检测Si MOS管的结温能够准确感测GaN功率管的结温变化，通过采样与GaN功率管串联的Si MOS管的电流能够准确采样GaN功率管的电流，设计针对多条电源轨的多重欠压保护，当GaN栅驱动电路正常工作时Si MOS管开启，当系统出现过温、过流或欠压任一种情况时关断Si MOS管，从而关断GaN功率管实现系统保护；另外，针对高压驱动电路还在过流比较器中设置过流信号、过温信号和欠压信号作为使能信号，实现在过温时同时触发过流保护。

【技术实现步骤摘要】
一种GaN栅驱动电路的系统保护方法
本专利技术属于电子电路
，具体涉及到一种适用于GaN栅驱动电路的系统保护方法的设计。
技术介绍
近些年，由于AI、数据处理、存储、5G通信及工业自动化产业的飞速发展，业界对于更高功率密度变换器的需求也随之增长。这意味着对功率管的选取和电路的设计提出了新的要求。传统的半桥驱动电路主要选取Si材料器件作为功率级，相比之下，由于GaN功率开关器件具有更高的击穿电压、更小的导通电阻Rds_on、更小的栅极电荷QG、更小的寄生电容以及无反向恢复时间等良好的物理特性，因此以第三代宽禁带半导体GaN材料制成的功率开关器件在高速高功率的功率电子应用中逐渐成为主流。如图1所示为传统的双通道Si材料功率器件的驱动电路系统拓扑图。传统的Si基驱动电路保护系统应该包含过温、过流、欠压三种保护机制。传统半桥驱动电路采用自举的方式为高侧电路提供高侧供电电压BST，如图1中灰色框图部分，快恢复二极管Dboot和自举电容Cboot构成自举通路，在下功率管ML开启时通过自举通路为自举电容充电，随后在下功率管ML关断上功率管MH开启时，开关节点SW处电压VSW上升至输入电压VIN，由于自举电容Cboot两端电压不能突变，BST＝VSW+Vboot，Vboot是自举电容Cboot两端电压，从而得到高侧电路的供电电压BST。为了保证高侧电路能够正常工作，且高侧功率管栅极电压VGH逻辑高电平足够开启上功率管MH，需要在高侧电路加入欠压保护电路UVLO_HS。因为开关节点SW为高侧电路的相对参考地，因此UVLO_HS的相对电源和地应为BST和SW，即欠压保护电路UVLO_HS监测BST-VSW的电压差，保证高侧电路所有模块均可正常工作，如图1所示。若BST＝VSW+Vboot发生欠压，则关断高侧电路，直到欠压解除后才放行高侧电路正常工作。同样低侧电路也需要欠压检测模块UVLO_LS监测外部电源电压VDD是否欠压。传统Buck电路的过流保护通过在Si功率管旁按比例K:1并联一个相同的采样管(SenseFET)实现，采样管流过电流的大小可以近似认为是电感电流IL的1/K。根据采样电流的大小即可以监测电感电流大小。电路中温度较高的部分为流过大电流的器件，如功率开关器件。传统过温保护的原理是检测Si功率器件PN结的温度特性。对于理想的PN结，其正向导通压降VBE和电流IF的关系为：其中k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷量，IS为反向饱和电流。其中IF为常数(由恒流源产生)。反向饱和电流IS的表达式如下：其中C、r为常数，Vg(0)为绝对零度下PN结导带底和价带顶的电势差。将式(1)和(2)合并简化可得PN结正向导通结电压降公式为：由公式(3)可以推出PN结正向导通结电压降VBE随温度变化主要取决于后两项，因此PN结正向导通结电压降VBE具有负温特性。因此根据Si基电路中器件(如三极管)PN结电压随温度的变化可以实现对电路温度的监测。然而，当GaN材料功率器件作为驱动电路的功率开关器件时，传统的Si材料功率器件的驱动保护电路存在一定的问题。首先由于GaN功率管与Si电路材料不同，无法像传统Si功率器件一样直接在GaN功率管旁并联一个采样管采样功率管电流，因此传统的过流保护方式需要加以改进。而且，由于GaN器件需要外置在驱动IC芯片外，Si基电路的PN结结温也无法直接准确体现GaN功率管的结温，因此传统的过温保护方式需要再加以完善。对于耗尽型GaN(d-modeGaN)驱动电路，GaN功率管栅极电压为0V时开启，因此需要使用负压关断，这需要在电路中另外产生负压电源轨，因此需要设计多条电源轨的欠压保护机制。另外，对于高压GaN驱动电路，总线电压常常高于400V，最高可达600V，随之功率级的电压和电流也增大。对于GaN功率器件来说，高温下可能导致器件电流电压关系变化，而且大电流总是伴随着高结温。所以，对于高压驱动电路的保护方式来说，还需要考虑过温保护和过流保护之间的相互影响。
技术实现思路
针对上述GaN材料功率器件作为驱动电路的功率开关器件时存在的无法直接采样GaN功率管的电流和结温，以及过温保护和过流保护之间的相互影响问题，本专利技术提出一种GaN栅驱动电路的系统保护方法，包含过温保护、过流保护和欠压保护三种保护机制，通过检测与GaN功率管安装在同一个低热阻热传导材料上的SiMOS管的结温能够准确感测GaN功率管的结温变化，防止其温度过高造成器件损坏；利用采样SiMOS管的电流能够准确采样GaN功率管的电流，保证电流满足GaN功率管的过流能力；考虑到负压电源轨的欠压保护，设计了实现多条电源轨的多重欠压保护；针对高压驱动电路还在过流比较器设置过流信号、过温信号和欠压信号作为使能信号，实现在过温时同时触发过流保护，降低功率管电流。本专利技术的技术方案为：一种GaN栅驱动电路的系统保护方法，所述GaN栅驱动电路包括GaN功率管、以及与GaN功率管安装在同一个低热阻热传导材料上的Si基驱动器，所述Si基驱动器包括电平位移模块、GaN功率管驱动模块、SiMOS管和SiMOS管驱动模块；所述GaN栅驱动电路输入信号的脉宽调制信号依次经过所述电平位移模块和GaN功率管驱动模块后连接所述GaN功率管的栅极；所述GaN功率管与所述SiMOS管串联；所述GaN栅驱动电路的系统保护方法为：分别检测所述GaN栅驱动电路是否过流、过温和欠压，并根据检测结果产生过流信号、过温信号和欠压信号，所述SiMOS管驱动模块根据所述过流信号、过温信号和欠压信号控制所述SiMOS管的开启和关断，当所述GaN栅驱动电路正常工作即没有产生过流信号、过温信号或欠压信号时所述SiMOS管开启，当过流信号、过温信号和欠压信号中任意一个产生时使能所述SiMOS管驱动模块关断所述SiMOS管，从而关断所述GaN栅驱动电路；检测所述GaN栅驱动电路是否过流的方法为：通过采样流过所述SiMOS管的电流得到流过所述GaN功率管的电流，当流过所述GaN功率管的电流大于预设的电流标准时产生所述过流信号；检测所述GaN栅驱动电路是否过温的方法为：通过检测所述SiMOS管的结温得到所述GaN功率管的结温，当所述GaN功率管的结温大于预设的温度标准时产生所述过温信号；检测所述GaN栅驱动电路是否欠压的方法为：分别检测所述电平位移模块、GaN功率管驱动模块和SiMOS管驱动模块的电源轨是否欠压，当其中任一电源轨欠压时产生所述欠压信号。具体的，检测所述SiMOS管的结温的具体方法为：利用一个基准电路产生正温度系数电流和基准电压，将SiMOS管的源极通过一个电阻后连接所述正温度系数电流和过温比较器的第一输入端，过温比较器的第二输入端连接所述基准电压，其输出端输出所述过温信号。具体的，所述GaN功率管驱动模块的电源轨为负压关断信号；所述SiMOS管驱动模块的电源轨为外部电源电压经过一个低压差线性稳压器后产生的内部供电电压；当所述GaN功率管为低侧功率管时所述电平位移模块的电源轨为外部电源电压，当所述GaN功率管为高侧功率管时所述电平位移模块的电源轨为外部电源电压经过自举产生的高侧供电电压；判断所述电平位移模块的电源轨或SiMOS管驱动模块的电源轨是否欠压的方法为：将所述电平位移模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaN栅驱动电路的系统保护方法，其特征在于，所述GaN栅驱动电路包括GaN功率管、以及与GaN功率管安装在同一个低热阻热传导材料上的Si基驱动器，所述Si基驱动器包括电平位移模块、GaN功率管驱动模块、Si MOS管和Si MOS管驱动模块；所述GaN栅驱动电路输入信号的脉宽调制信号依次经过所述电平位移模块和GaN功率管驱动模块后连接所述GaN功率管的栅极；所述GaN功率管与所述Si MOS管串联；所述GaN栅驱动电路的系统保护方法为：分别检测所述GaN栅驱动电路是否过流、过温和欠压，并根据检测结果产生过流信号、过温信号和欠压信号，所述Si MOS管驱动模块根据所述过流信号、过温信号和欠压信号控制所述Si MOS管的开启和关断，当所述GaN栅驱动电路正常工作即没有产生过流信号、过温信号或欠压信号时所述Si MOS管开启，当过流信号、过温信号和欠压信号中任意一个产生时使能所述Si MOS管驱动模块关断所述Si MOS管，从而关断所述GaN栅驱动电路；检测所述GaN栅驱动电路是否过流的方法为：通过采样流过所述Si MOS管的电流得到流过所述GaN功率管的电流，当流过所述GaN功率管的电流大于预设的电流标准时产生所述过流信号；检测所述GaN栅驱动电路是否过温的方法为：通过检测所述Si MOS管的结温得到所述GaN功率管的结温，当所述GaN功率管的结温大于预设的温度标准时产生所述过温信号；检测所述GaN栅驱动电路是否欠压的方法为：分别检测所述电平位移模块、GaN功率管驱动模块和Si MOS管驱动模块的电源轨是否欠压，当其中任一电源轨欠压时产生所述欠压信号。...

【技术特征摘要】
1.一种GaN栅驱动电路的系统保护方法，其特征在于，所述GaN栅驱动电路包括GaN功率管、以及与GaN功率管安装在同一个低热阻热传导材料上的Si基驱动器，所述Si基驱动器包括电平位移模块、GaN功率管驱动模块、SiMOS管和SiMOS管驱动模块；所述GaN栅驱动电路输入信号的脉宽调制信号依次经过所述电平位移模块和GaN功率管驱动模块后连接所述GaN功率管的栅极；所述GaN功率管与所述SiMOS管串联；所述GaN栅驱动电路的系统保护方法为：分别检测所述GaN栅驱动电路是否过流、过温和欠压，并根据检测结果产生过流信号、过温信号和欠压信号，所述SiMOS管驱动模块根据所述过流信号、过温信号和欠压信号控制所述SiMOS管的开启和关断，当所述GaN栅驱动电路正常工作即没有产生过流信号、过温信号或欠压信号时所述SiMOS管开启，当过流信号、过温信号和欠压信号中任意一个产生时使能所述SiMOS管驱动模块关断所述SiMOS管，从而关断所述GaN栅驱动电路；检测所述GaN栅驱动电路是否过流的方法为：通过采样流过所述SiMOS管的电流得到流过所述GaN功率管的电流，当流过所述GaN功率管的电流大于预设的电流标准时产生所述过流信号；检测所述GaN栅驱动电路是否过温的方法为：通过检测所述SiMOS管的结温得到所述GaN功率管的结温，当所述GaN功率管的结温大于预设的温度标准时产生所述过温信号；检测所述GaN栅驱动电路是否欠压的方法为：分别检测所述电平位移模块、GaN功率管驱动模块和SiMOS管驱动模块的电源轨是否欠压，当其中任一电源轨欠压时产生所述欠压信号。2.根据权利要求1所述的GaN栅驱动电路的系统保护方法，其特征在于，检测所述SiMOS管的结温的具体方法为：利用一个基准电路产生正温度系数电流和基准电压，将SiMOS管的源极通过一个电阻后连接所述正温度系数电流和过温比较器的第一输入端，过温比较器的第二输入端连接所述基准电压，其输出端输出所述过温信号。3.根据权利要求1或2所述的GaN栅驱动电路的系统保护方法，其特征在于，所述GaN功率管驱动模块的电源轨为负压关断信号；所述SiMOS管驱动模块的电源轨为外部电源电压经过一个低压差线性稳压器后产生的内部供电电压；当所述GaN功率管为低侧功率管时所述电平位移模块的电源轨为外部电源电压，当所述GaN功率管为高侧功率管时所述电平位移模块的电源轨为外部电源电压经过自举产生的高侧供电电压；判断所述电平位移模块的电源轨或SiMOS管驱动模块的电源轨是否欠压的方法为：将所述电平位移模块的电源轨或SiMOS管驱动模块的电源轨通过两个串联的分压电阻后接地，两个分压电阻的串联点连接一个欠压比较器的正向输入端，该欠压比较器的负向输入端连接基准电压，其输出端输出所述欠压信号；判断所述GaN功率管驱动模块的电源轨是否欠压的方法为：将所述GaN功率管驱动模块的电源轨通过两个串联的分压电阻后连接基准电压，两个分压电阻的串联点连接一个欠压比较器的正向输入端，该欠压比较器的负向输入端接地，其输出端输出所述欠压信号。4.根据权利要求3所述的GaN栅驱动电路的系统保护方法，其特征在于，通过将采样管并联在所述SiMOS管上采样流过所述SiMOS管的电流，具体方法为：采样管的栅极连接所述SiMOS管的栅极，其漏极连接所述SiMOS管的漏极，其源极通过一个采样电阻后连接所述SiMOS管的源极，再利用一个过流比较器将采样管的源极电压和基准电压进行比较得到所述过流信号。5.根据权利要求4所述的GaN栅驱动电路的系统保护方法，其特征在于，所述过流比较器包括偏置级、第一级、第二级、第三级、推挽级和输出级，所述偏置级包括第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管、第一PMOS管、第二PMOS管、第三PMOS管、第四PMOS管、第一电阻和第二电阻，第二NMOS管的栅漏短接并连接第三NMOS管的栅极和第一偏置电流，其源极连接第三NMOS管和第五NMOS管的源极并接地；第二PMOS管的栅极连接第三PMOS管的栅极、第三NMOS管的漏极和第一电阻的一端，其漏极连接第一电阻的另一端、第一PMOS管和第四PMOS管的栅极，其源极连接第一PMOS管的漏极；第四PMOS管的源极连接第一PMOS管的源极并连接所述内部供电电压，其漏极连接第三PMOS管的源极；第四NMOS管的栅极连接第三PMOS管的漏极和第二电阻的一端，其漏极连接第五NMOS管的栅极和第二电阻的另一端，其源极连接第五NMOS管的漏极；所述第一级包括第一电容、第二电容、第三电阻、第四电...

【专利技术属性】
技术研发人员：明鑫，冯旭东，胡黎，张永瑜，王卓，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51