用于开关氮化镓（GaN）器件的驱动器制造技术

本公开的实施例提供了用于开关氮化镓(GaN)器件的驱动器。一种用于开关氮化镓(GaN)器件的设备包括高侧驱动器、低侧驱动器、以及高侧充电电路。高侧驱动器适于使用高侧电源来控制高侧GaN器件。低侧驱动器适于使用低侧电源来控制低侧GaN器件。高侧充电电路适于当低侧驱动器激活低侧GaN器件时，利用低侧电源来对高侧电源充电。

Drivers for switching gallium nitride (GAN) devices

【技术实现步骤摘要】
用于开关氮化镓(GaN)器件的驱动器
本公开涉及用于驱动氮化镓(GaN)器件、特别是半桥开关应用中的GaN器件的电路。
技术介绍
氮化镓(GaN)器件具有期望的特性，这使得GaN器件与半桥开关应用中的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)相比较更为合适，特别是当需要高频率和高效率时。例如，与MOSFET相比较，GaN器件可以具有更快的开关速度和/或更小的封装。而且，GaN器件可以省略寄生体二极管，这不会产生反向恢复损耗。进一步地，GaN器件能够反向导通。如此，GaN器件可以省略外部反并联二极管。
技术实现思路
一般而言，本公开涉及一种用于氮化镓(GaN)器件的驱动器，该驱动器具有利用低侧电源来充电的高侧电源。例如，驱动器可以适于当低侧驱动器激活低侧GaN器件时，利用低侧电源来对高侧电源充电。这样，驱动器可以将高侧电源充电到期望的浮动电压，而不必依赖于用于对由高侧电源输出的电压进行后调节或者将由高侧电源输出的电压进行钳位的附加部件。在一个示例中，一种用于开关GaN器件的设备包括：高侧驱动器，适于使用高侧电源来控制高侧GaN器件；低侧驱动器，适于使用低侧电源来控制低侧GaN器件；以及高侧充电电路，适于当低侧驱动器激活低侧GaN器件时，利用低侧电源来对高侧电源充电。在另一示例中，一种用于驱动GaN器件的方法包括：使用高侧电源来控制高侧GaN器件；使用低侧电源来控制低侧GaN器件；以及当低侧驱动器激活低侧GaN器件时，使用低侧电源来对高侧电源充电。在另一示例中，一种用于控制功率转换器的系统包括：高侧GaN器件；低侧GaN器件；高侧驱动器，适于使用高侧电源来控制高侧GaN器件；低侧驱动器，适于使用低侧电源来控制低侧GaN器件；以及高侧充电电路，适于当低侧驱动器激活低侧GaN器件时，利用低侧电源来对高侧电源充电。在附图和以下描述中阐述了这些示例和其他示例的细节。根据说明书和附图以及权利要求，其他特征、目的和优点将变得显而易见。附图说明图1是图示了根据本专利技术的一种或多种技术的用于具有利用低侧电源充电的高侧电源的氮化镓(GaN)器件的驱动器的框图。图2是图示了根据本公开的一种或多种技术的图1的驱动器的第一示例的电路图。图3是图示了根据本公开的一种或多种技术的图1的驱动器的第二示例的电路图。图4是图示了根据本公开的一种或多种技术的图1的驱动器的第三示例的电路图。图5是图示了根据本公开的一种或多种技术的图1的驱动器的第四示例的电路图。图6是根据本公开的一种或多种技术的图1的驱动器的性能的第一图示。图7是根据本公开的一种或多种技术的图1的驱动器的性能的第二图示。图8是根据本公开的一种或多种技术的图1的驱动器的性能的第三图示。图9是根据本公开的一种或多种技术的用于驱动GaN器件的方法的流程图。具体实施方式驱动氮化镓(GaN)增强型高电子迁移率晶体管(e-HEMT)时的困难在于，GaNe-HEMT与金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)相比的栅极电压范围窄(通常为-4V/+6V)。GaNe-HEMT的另一特性是栅极-源极电压“VGS”小于零(例如，VGS≤0V)的反向电流是“二极管状(diode-like)”并且当相对于漏极的栅极电压超过GaNe-HEMT的电压阈值“Vth”时被建立。源极-漏极电压“VSD”的示例如下。VSD＝VSG+VGD＝-VGS+Vth+I*Rrev_ON(等式1)其中“VSG”是源极-栅极电压，“VGD”是栅极-漏极电压，“I”是GaNe-HEMT处的电流，并且“Rrev_ON”是GaNe-HEMT的电阻。假设电压阈值“Vth”在1.5V-2V的范围内，则源极-漏极电压“VSD”通常高于硅功率MOSFET的电压阈值。对于高电压和高dV/dt的kW应用，GaNe-HEMT可能利用负的栅极-源极电压“VGS”被关断，从而进一步增加GaNe-HEMT器件反向操作所需的源极-漏极电压“VSD”。在使用低侧续流的应用中，诸如但不限于在使用高侧GaNe-HEMT器件和低侧GaNe-HEMT器件的半桥开关应用中，这种GaNe-HEMT特性可能是不合需要的。例如，当高侧GaNe-HEMT“TH”关断时，正的电感器电流被迫在低侧上流动，低侧进入反向导通，这导致在死区开关期间开关节点电压等于低侧GaNe-HEMT“TL”的源极-漏极电压“VDS”电压。在基于自举(bootstrap)电容器的高侧驱动器中，开关节点处的负电压(例如，高侧驱动器浮动接地)可能将自举电容器过充电至高于GaN源极-漏极电压“VGS”的最大额定值，这可能导致损坏高侧GaNe-HEMT器件。在一些系统中，附加的后调节电路被用来调节自举电压，以在保留驱动能力的同时避免损坏GaNe-HEMT。在其他系统中，附加的外部(或内部)齐纳二极管(加上电阻器)被用于钳位自举电压，以在保留驱动能力的同时避免损坏GaNe-HEMT。在其他系统中，当低侧GaNe-HEMT器件关闭时(例如，在开路状态下操作)，其体二极管背靠背连接到自举二极管的附加串联开关被用于切断再充电路径。根据本文中所描述的一种或多种技术，驱动器可以包括高侧充电电路，高侧充电电路适于当低侧驱动器激活低侧GaN器件时，利用低侧电源来对高侧电源充电。例如，驱动器可以适于将自举二极管连接到低侧GaNe-HEMT栅极，从而重新使用已经存在的栅极上拉pMOS作为阻塞开关，优化低侧GaNe-HEMT接通和与自举电容器再充电路径激活之间的同步，因此保护应用免受自举过充电的影响，无需额外的引脚和硅成本。包括这种高侧充电电路的一些优点可以包括但不限于例如低侧接通与自举电容器再充电路径激活之间的最佳时序、没有附加外部或内部部件、以及没有附加驱动器引脚。图1是图示了根据本专利技术的一种或多种技术的具有利用低侧电源充电的高侧电源的GaN器件的驱动器的框图。图1示出了系统100，系统100包括低侧电源102、低侧驱动器104、低侧GaN器件106、高侧充电电路110、高侧电源112、高侧驱动器114、高侧GaN器件116、以及转换器元件124。系统100可以包括除所示那些部件之外的其他部件。在一些示例中，系统100可以实现为单个或多个集成电路(IC)封装。低侧电源102可以被配置为向系统100的一个或多个其他部件提供电力。例如，低侧电源102可以被配置为在低侧GaN器件106的栅极处供应电荷。在一些示例中，低侧电源102可以是功率转换器、功率逆变器、调节器或其他功率转换电路的输出。例如，低侧电源102可以是直流(DC)到DC功率转换器、交流(AC)到DC功率转换器、DC到AC功率逆变器、线性调节器或其他功率转换电路的输出。低侧驱动器104可以适于使用低侧电源102来控制低侧GaN器件106。例如，低侧驱动器104可以包括将低侧GaN器件106的栅极耦合到低侧电源102的正端子或低侧电源102的负端子(例如，接地)的开关元件。开关元件的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于开关GaN器件的设备，所述器件包括：/n高侧驱动器，适于使用高侧电源来控制高侧GaN器件；/n低侧驱动器，适于使用低侧电源来控制低侧GaN器件；以及/n高侧充电电路，适于当所述低侧驱动器激活所述低侧GaN器件时，利用所述低侧电源来对所述高侧电源充电。/n

【技术特征摘要】
20180801 US 16/052,4791.一种用于开关GaN器件的设备，所述器件包括：
高侧驱动器，适于使用高侧电源来控制高侧GaN器件；
低侧驱动器，适于使用低侧电源来控制低侧GaN器件；以及
高侧充电电路，适于当所述低侧驱动器激活所述低侧GaN器件时，利用所述低侧电源来对所述高侧电源充电。


2.根据权利要求1所述的设备，其中所述高侧充电电路适于防止电流从所述高侧电源流动到所述低侧驱动器、并且准许电流从所述低侧驱动器流动到所述高侧电源。


3.根据权利要求2所述的设备，其中所述高侧充电电路包括二极管，所述二极管包括耦合到所述低侧驱动器的阳极以及耦合到所述高侧电源的阴极，以防止电流从所述高侧电源流动到所述低侧驱动器、并且准许电流从所述低侧驱动器流动到所述高侧电源。


4.根据权利要求2所述的设备，其中所述高侧充电电路包括：
开关元件，包括耦合到所述高侧电源的第一节点以及耦合到所述低侧驱动器的第二节点；以及
有源开关电路，适于选择性地激活所述开关元件，以防止电流从所述高侧电源流动到所述低侧驱动器、并且准许电流从所述低侧驱动器流动到所述高侧电源。


5.根据权利要求1所述的设备，
其中所述低侧电源包括与电压源并联耦合的电容器；以及
其中所述高侧电源包括电容器。


6.根据权利要求1所述的设备，包括以下项中的一项或多项：
低侧放电电路，适于减少从所述低侧驱动器到所述低侧GaN器件的电流流动、并且抑制从所述低侧GaN器件到所述低侧驱动器的电流流动的减少；或者
高侧放电电路，适于减少从所述高侧驱动器到所述高侧GaN器件的电流流动、并且抑制从所述高侧GaN器件到所述高侧驱动器的电流流动的减少。


7.根据权利要求1所述的设备，
其中所述低侧驱动器适于在所述低侧电源的正端子与所述低侧GaN器件之间建立第一低侧通道以激活所述低侧GaN器件，并且在所述低侧电源的负端子与所述低侧GaN器件之间建立第二低侧通道以去激活所述低侧GaN器件；以及
其中所述高侧驱动器适于在所述高侧电源的正端子与所述高侧GaN器件之间建立第一高侧通道以激活所述高侧GaN器件，并且在所述高侧电源的负端子与所述低侧GaN器件之间建立第二高侧通道以去激活所述高侧GaN器件。


8.根据权利要求7所述的设备，其中所述低侧驱动器包括：
第一低侧开关元件，包括耦合到所述低侧电源的所述正端子的第一节点、耦合到所述低侧GaN器件的第二节点、以及控制节点；
第二低侧开关元件，包括耦合到所述低侧GaN器件的第一节点、耦合到所述低侧电源的所述负端子的第二节点、以及控制节点；以及
低侧驱动电路，适于在所述第一低侧开关元件的所述控制节点处生成第一控制信号，以使所述第一低侧开关元件在所述低侧电源的所述正端子与所述低侧GaN器件之间建立所述第一低侧通道来激活所述低侧GaN器件，并且适于在所述第二低侧开关元件的所述控制节点处生成第二控制信号，以使所述第二低侧开关元件在所述低侧电源的所述负端子和所述低侧GaN器件之间建立所述第二低侧通道来去激活所述低侧GaN器件。


9.根据权利要求7所述的设备，其中所述高侧驱动器包括：
第一高侧开关元件，包括耦合到所述高侧电源的所述正端子的第一节点、耦合到所述高侧GaN器件的第二节点、以及控制节点；
第二高侧开关元件，包括耦合到所述高侧GaN器件的第一节点、耦合到所述高侧电源的所述负端子的第二节点、以及控制节点；以及
高侧驱动电路，适于在所述第一高侧开关元件的所述控制节点处生成第一控制信号，以使所述第一高侧开关元件在所述高侧电源的所述正端子与所述高侧GaN器件之间建立所述第一高侧通道来激活所述高侧GaN器件，并且适于在所述第二高侧开关元件的所述控制节点处生成第二控制信号，以使所述第二高侧开关元件在所述高侧电源的所述负端子与所述高侧GaN器件之间建立所述第二高侧通道来去激活所述高侧GaN器件。


10.根据权利要求1所述的设备，
其中所述高侧GaN器件包括耦合到所述高侧驱动器的控制节点、耦合到功率转换器电源的正端子的第一节点、以及耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·彭佐，M·加尔瓦诺，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE