本发明专利技术的氮化镓功率晶体管三电平驱动方式，在现有两电平驱动方式的基础上，针对反向导通机制带来的导通压降大的问题，提出在栅源极驱动信号的死区时间内预置一个低于门槛电压的电平。在氮化镓功率晶体管需要反向导通机制工作时，在其驱动器的低端接一个低于开关管门槛电压的中间电平Vx，由该中间电平Vx补偿晶体管反向导通机制引起的栅漏极电压Vgd，使源漏极压降从Vth减小为Vth-Vx，晶体管反向导通压降减小。最终降低反向导通功耗，提高变换器的效率。该三电平驱动方式可用于一切需要氮化镓功率晶体管反向导通机制工作的场合，典型应用为互补导通控制的桥臂结构以及同步整流管。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种适用于氮化镓(Gallium Nitride, GaN)功率晶体管的三电平门极驱动方法，属于半导体应用或电能变换领域。
技术介绍
氮化镓(Gallium Nitride, GaN)材料具有禁带宽度宽、临界击穿电场强度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点，特别是基于GaN的AlGaN/ GaN结构具有更高的电子迁移率，使得GaN器件具有低的导通电阻、高的工作频率，符合下一代开关电源变换器高频率、高功率密度及高可靠性的要求。由于氮化镓功率晶体管的开关特性、驱动技术、损耗机制相比硅基MOSFET有显著差异，如何实现对氮化镓功率晶体管的驱动，对发挥其优势、提高系统整体性能的作用举足轻重。目前，硅基MOSFET的驱动方式可以归纳为PWM方式和谐振方式两大类。其中，PWM驱动方式又可以分为集成式驱动和分立式驱动。集成式引起驱动结构简单、可靠而被广泛使用，尤其是对于互补开通的桥臂结构。对于需要互补导通的桥臂结构，为了避免两管直通造成对源的短路，通常两个驱动信号之间留有一定死区时间，由于开关管上升下降时间随工作条件不同而改变，因此死区时间的设置通常是考虑最恶劣的情况，即取最大值。集成驱动器中预设了死区时间，因其既可以实现高可靠开通又可有效避免桥臂直通而被广泛采用。然而，传统的PWM方式并没有考虑到控制死区时间对于开关管的控制，对于互补导通的桥臂结构，控制死区时间由开关管的反向导通机制实现电流续流。氮化镓功率晶体管由于没有体二极管，反向导通机制与硅基MOSFET不同，其压降也远高于硅基MOSFET体二极管的压降。这对于高频工作的氮化镓功率晶体管而言，若是沿用原有的PWM驱动方式，死区时间的导通损耗将成为效率提高的障碍。针对桥臂互补导通增强型氮化镓功率晶体管结构，美国国家半导体(现德州仪器)2012年初刚刚推出一款集成的控制器LM5113，该控制器实际上还是基于传统的PWM方式，不同的是把死区时间设置的问题推给了逻辑控制电路，并没有从根本上解决死区时间反向导通的问题。另外，采用反并二极管的方式解决导通压降的问题在频率上升到兆赫兹级别时是不适用的。针对硅基MOSFET的谐振式驱动是利用驱动回路的寄生电感或谐振电感与开关管结电容之间的谐振实现对开关管的驱动，通过对驱动能量进行回收降低驱动损耗。而谐振式驱动电路本身并非无损的，其之所以能降低损耗实际上是节省了逻辑电路驱动损耗与功率电路驱动损耗之间的功耗差。这对于％比较大的硅基MOSFET而言效果很明显，而氮化镓功率晶体管的％较小，谐振式驱动利用功耗差提高效率的效果不再明显。另外，与PWM — 样，在用于桥臂结构驱动时，谐振式驱动并没有考虑死区时间的控制。总之，现有驱动方案限制了氮化镓功率晶体管的优势，需要新的以充分发挥氮化镓功率晶体管的优势、回避其不足。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述现有硅基MOSFET驱动方式直接应用到氮化镓功率晶体管驱动的缺陷，设计一种有利于充分发挥氮化镓功率晶体管优势，弥补其特性上的不足，从而实现闻频、闻效率变换的驱动方法。本专利技术的目的是通过以下措施实现的一种氮化镓功率晶体管的三电平驱动方法，其特征是在氮化镓功率晶体管需要反向导通机制工作时，在其驱动器的低端接一个低于开关管门槛电压的中间电平Vx，由该中间电平Vx补偿晶体管反向导通机制引起的栅漏极电压Vgd，使源漏极压降从Vth减小为 Vth-Vx,晶体管反向导通压降减小。氮化镓功率晶体管的三电平驱动电路包括氮化镓功率晶体管、驱动器和中间电平发生单元，该中间电平发生单元设有一个图腾柱，该图腾柱的输入端接控制信号C0N，输出端接驱动器的低端，图腾柱的低端接地，高端接电平Vx。互补导通控制的桥臂结构中一个氮化镓功率晶体管或两个氮化镓功率晶体管驱动米用二电平驱动。在氮化镓功率晶体管用作同步整流管反向导通时，驱动电路采用三电平驱动。本专利技术的氮化镓功率晶体管三电平驱动方式，在现有两电平驱动方式的基础上， 针对反向导通机制带来的导通压降大的问题，提出在栅源极驱动信号的死区时间内预置一个低于门槛电压的电平。该电平的引入可以补偿反向导通机制带来的栅漏极电压，从而减小源漏极在反向导通机制工作时电压降，最终降低反向导通功耗，提高变换器的效率。该三电平驱动方式可用于一切需要氮化镓功率晶体管反向导通机制工作的场合， 典型应用为互补导通控制的桥臂结构以及同步整流管。本专利技术基于氮化镓功率晶体管的反向导通机制及其结构对称的特性所提出，在控制死区时间内，于栅极与源极之间施加一个低于其门槛电压的电平，从反向导通机制的电压平衡角度，解决漏源极在反向导通时压降大的问题。本专利技术与现有驱动方式相比的主要技术特点是，通过本专利技术的驱动方法，可以大幅的降低氮化镓功率晶体管反向导通压降(理论上可以做到零压降)，从而降低反向导通损耗，提高变换器的效率，尤其是在高频工作时的效率。附图说明图I互补导通的两只开关管传统驱动方式；图2三电平驱动方式；图3互补导通的两只开关管三电平驱动方式；图4 Vx电平产生机理；图5逻辑控制时序图6桥臂下管三电平驱动(同步整流Buck变换器)应用实例；图7桥臂下管三电平驱动(同步整流Buck变换器)驱动逻辑时序；图8三电平与两电平效率曲线对比；图9三电平与反并二极管在不同工作频率的情况对比；图10桥臂上管三电平驱动(同步整流Boost变换器)应用实例；图11桥臂上管三电平驱动(同步整流Boost变换器)驱动逻辑时序；图12桥臂结构双管三电平驱动电路；图13桥臂结构双管三电平驱动电路逻辑时序；图14半波同步整流电路；图15全波同步整流电路；图16倍流同步整流电路。图中PWM、PWM1、PWM2为脉宽信号；C0N为控制信号；Vx为中间电平；Vgs为驱动电压；M为驱动控制的死区时间；Q1、Q2、SR1、SR2为氮化镓功率晶体管。各图中的M为控制死区时间。具体实施例方式三电平驱动方式是相对于传统开关管两电平驱动方式而言的。一般两只开关管需要互补导通的应用场合，为了避免短路故障，两只开关控制信号之间存在一个死区，电流通过开关管的反向导通机制续流。驱动信号为两电平，即高电平与低电平(如图I)。而所谓的三电平则是在传统栅源极两电平的驱动方式中引入一个中间电平Vx (如图2)。在Vx低于氮化镓功率晶体管的门槛电压Vth时，栅源极电压不足以开通开关管； 此时Vx可以用于补偿栅漏极电压Vgd由于反向导通机制工作带来的压降Vth，使得实际源漏极电压降为Vth-Vx，从而减小反向导通机制带来的高频工作损耗大的问题。对两只需要互补导通的开关管，可能存在的工作方式可以分为两种(如图3)，即一只开关管两电平、一只三电平以及两只均采用三电平。根据实际情况，选用不同的驱动方式，即需要反向工作机制动作的开关管选用三电平驱动方式。实施例一互补导通控制的桥臂结构中一只氮化镓功率晶体管驱动采用三电平驱动。如图6，是氮化镓功率晶体管三电平驱动在同步整流Buck变换器中的应用(即桥臂下管需要反向导通的情况)，下管采用三电平驱动。该三电平驱动电路包括中间电平发生单元、氮化镓功率晶体管Ql及其驱动器、氮化镓功率晶体管Q2及其驱动器，中间电平发生单元的图腾柱输出端接氮化镓功率晶体管Q2驱动器的低端。脉冲PWMl经电平转换电本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：任小永，陈乾宏，阮新波，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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