黃偉 周德金 許媛 何寧業(yè) 胡一波 胡文新

摘要 增強(qiáng)型GaN HEMT器件的開(kāi)關(guān)速度較現(xiàn)有硅基MOSFET有很大提高，導(dǎo)致硅基MOSFET柵驅(qū)動(dòng)電路無(wú)法用于驅(qū)動(dòng)增強(qiáng)型GaN HEMT器件。本文設(shè)計(jì)了一種適用于增強(qiáng)型GaN HEMT器件的新型柵驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)速度。該驅(qū)動(dòng)電路包括接口電路、死區(qū)產(chǎn)生電路、電平移位電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路、欠壓保護(hù)電路、過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)電路，Hspice軟件仿真結(jié)果表明該柵驅(qū)動(dòng)電路功能正確，性能良好，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)有效性。

【關(guān)鍵詞】增強(qiáng)型 GaN HEMT 驅(qū)動(dòng)電路 柵驅(qū)動(dòng)

1 引言

以硅材料為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)電力電子功率器件己逐步逼近其理論極限，難以滿足電力電子技術(shù)高頻化和高功率密度化的發(fā)展需求。與傳統(tǒng)的Si基功率器件相比，GaN功率器件展現(xiàn)了其在導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)速度上的明顯優(yōu)勢(shì)，可以使功率轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)更小體積、更高頻率及更高效率，從而在汽車、通信、工業(yè)等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。而系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率的提高，能有效地減小電路中電容、電感及變壓器的尺寸，而高速的柵極驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)GaN功率器件，使得整個(gè)功率轉(zhuǎn)換器達(dá)到高效率且減小電路面積，節(jié)省成本，

增強(qiáng)型高電子遷移率晶體管（HEMT）是GaN功率器件面向電力電子領(lǐng)域應(yīng)用的主要器件。GaN HEMT的主要優(yōu)點(diǎn)有極低的門極電荷，極低的分布電容、超快的開(kāi)關(guān)速度、超小的器件體積、優(yōu)異的品質(zhì)因數(shù)、超低的開(kāi)關(guān)損耗和很低的器件發(fā)熱。在同樣的耐壓條件下，其與Si基MOSFET相比主要有：導(dǎo)通電阻和器件體積小、開(kāi)關(guān)速度快、電流密度大和功率密度高的特點(diǎn)。GaN HEMTs的這些特點(diǎn)保證了其未來(lái)具有非常廣闊的前景與市場(chǎng)。但是也存在一些需要特別注意的因素：閾值電壓低;柵源電壓上限低;可反向?qū)ā?/p>

上述特別因素的存在，使得GaN器件的驅(qū)動(dòng)使用時(shí)需要特別考慮，導(dǎo)致目前傳統(tǒng)的用于硅基MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路不能直接適用于增強(qiáng)型GaN HEMT器件。GaN功率器件通常用在高頻開(kāi)關(guān)頻率下（MHz以上），尤其是開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到IOMHz之后，傳統(tǒng)柵極驅(qū)動(dòng)較大的延時(shí)（幾十納秒）就會(huì)占開(kāi)關(guān)周期比例過(guò)大，甚至導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤，進(jìn)而限制了開(kāi)關(guān)頻率無(wú)法升高。本論文設(shè)計(jì)了一種適用于GaN HEMT器件的柵極驅(qū)動(dòng)電路，詳細(xì)給出了電路結(jié)構(gòu)和核心電路具體實(shí)現(xiàn)，并給出了核心電路和總體電路的仿真驗(yàn)證結(jié)果。

2 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

如圖1所示即為本文設(shè)計(jì)的適用于增強(qiáng)型GaN HEMT的柵驅(qū)動(dòng)電路，其電路功能模塊包括用于輸入電平轉(zhuǎn)換的2路接口電路H和L，用于產(chǎn)生死區(qū)保護(hù)時(shí)間的死區(qū)產(chǎn)生電路，高壓側(cè)進(jìn)行低壓轉(zhuǎn)高壓電平變換的電平移位電路，低壓端延遲補(bǔ)償?shù)牡投搜舆t匹配電路，兩路輸出驅(qū)動(dòng)電路H和L，用于對(duì)整體電路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)的欠壓封鎖電路H和L、過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)電路。

H端和L端兩路5V的輸入方波信號(hào)經(jīng)過(guò)電平移位和延遲補(bǔ)償處理后被轉(zhuǎn)換成相位相匹配的2路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，L端的O～5V驅(qū)動(dòng)信號(hào)和H端以vs為參考的幅值為5V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，然后進(jìn)入高壓和低壓驅(qū)動(dòng)模塊的輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。特別之處在于，電平移位電路、驅(qū)動(dòng)電路H和欠壓封鎖電路H構(gòu)成的H端驅(qū)動(dòng)模塊，在版圖設(shè)計(jì)和工藝加工是必須做在一個(gè)具有浮動(dòng)電位的高壓阱中。由于H端控制信號(hào)經(jīng)過(guò)電平位移電路后，相比于L端信號(hào)產(chǎn)生了一定的延遲，因此須在L端通路上加入延遲匹配電路，進(jìn)行延遲補(bǔ)償。

3 核心電路實(shí)現(xiàn)及仿真

3.1 接口電路

圖2為本文接口電路的原理圖。輸入端口IN接收來(lái)自芯片外部輸入的PWM脈沖控制信號(hào)，該P(yáng)WM脈沖信號(hào)被輸入到輸入波形整理比較器的負(fù)端，與正端的參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)輸入電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器輸出低電位，經(jīng)過(guò)低通濾波電阻與低通濾波電容組成的濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出信號(hào)OUTI與IN同相，OUT2與IN反相。本文設(shè)計(jì)的邏輯控制電路電源電壓為5V，所以O(shè)UTI與OUT2的幅值均為5V。本文的接口電路H和L均采用圖2所示電路實(shí)現(xiàn)。

3.2 死區(qū)產(chǎn)生電路

圖3為本文死區(qū)產(chǎn)生電路的具體實(shí)現(xiàn)。邏輯信號(hào)H1、L2、H2和L1為兩個(gè)接口電路的輸出信號(hào)。FAULT信號(hào)是系統(tǒng)控制信號(hào)，OC為過(guò)流保護(hù)電路的輸出，OH是過(guò)熱保護(hù)電路的輸出，UV HH是欠壓封鎖電路H的輸出，UV HL是欠壓封鎖電路L的輸出。當(dāng)FAULT、信號(hào)為高，或者電路出現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)流或者電源電壓發(fā)生欠壓時(shí)，就會(huì)觸發(fā)死區(qū)電路的輸出為恒定的低電平，控制后續(xù)電路停止工作，直至觸發(fā)信號(hào)恢復(fù)正常。所設(shè)計(jì)的死區(qū)時(shí)間的大小由延遲電路決定，可以采用反相器和RC網(wǎng)絡(luò)。

3.3 電平移位電路

圖4為本文電平移位電路的具體實(shí)現(xiàn)。其實(shí)現(xiàn)的功能是將0～5V的數(shù)字邏輯電平轉(zhuǎn)換為以高壓VB和VS為擺幅基準(zhǔn)的高壓數(shù)字邏輯電平，為此電路中必須適用高壓LDMOS器件。圖4所示電路的工作原理如下：輸入端的脈沖產(chǎn)生和整形電路將輸入信號(hào)OUT H轉(zhuǎn)化為窄脈沖信號(hào)，此時(shí)方波信號(hào)的邏輯電平仍然為0～5。當(dāng)OUT H為低時(shí)，M51管關(guān)斷，LDMOS的柵極為高電平時(shí)，LDMOS開(kāi)啟，LDMOS漏端電位為較VB低的VH; LDMOS柵極為低電平時(shí)，LDMOS漏極電位為VB。當(dāng)OUT H為高時(shí)，M51管開(kāi)啟，LDMOS的柵極為高時(shí)，LDMOS開(kāi)啟，LDMOS漏極電位為較VB低的VL當(dāng)LDMOS的柵極為低時(shí)，LDMOS關(guān)斷。比較器將LDMOS漏極分別與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，輸出兩路脈沖信號(hào)，通過(guò)或非門進(jìn)行邏輯運(yùn)算和濾波，再通過(guò)RS觸發(fā)器整形為一路方波信號(hào)。與輸入方波信號(hào)相比，此時(shí)的低電平電壓從0提高到了VB，輸出方波信號(hào)的幅值為VB～VS之間。

3.4 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路用以減小輸出阻抗，同時(shí)增強(qiáng)輸出驅(qū)動(dòng)能力。圖5為本文驅(qū)動(dòng)電路的一種具體實(shí)現(xiàn)原理圖。輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)電路由反相器鏈，輸出驅(qū)動(dòng)管M71和M72組成。2個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)管決定了電路的驅(qū)動(dòng)電流和輸出電阻。正常工作時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)管M71管和M72管交叉導(dǎo)通，相互之間導(dǎo)通時(shí)間間隔受死區(qū)時(shí)間保護(hù);當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)熱、過(guò)流或者電源電壓發(fā)生欠壓時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)管將會(huì)被關(guān)閉。

3.5 電路仿真

本文柵驅(qū)動(dòng)電路將輸入0～5V方波信號(hào)經(jīng)過(guò)電平移位和延遲補(bǔ)償處理后轉(zhuǎn)換成相位相匹配的2路具有死區(qū)保護(hù)的相位相反方波信號(hào)，然后進(jìn)入輸出驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換為2路低電平不同，但擺幅相同，并且驅(qū)動(dòng)能力增強(qiáng)了的輸出信號(hào)HO和LO。圖6為采用Hspice軟件和上華BCD工藝對(duì)所設(shè)計(jì)柵驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行晶體管級(jí)仿真得到的的輸入輸出曲線，輸出高壓部分的H端電源電壓VB為15V，VS采用IOV電壓，L端電源電壓VCC為5V。由于增強(qiáng)型GaN HEMT器件的柵驅(qū)動(dòng)電壓為0～SV，因此本文設(shè)計(jì)的H端正常輸出的HO輸出擺幅為10V～15V，L端正常輸出的LO輸出擺幅為0- 5V。本文中設(shè)計(jì)的柵驅(qū)動(dòng)電路集成了欠壓鎖定保護(hù)功能，當(dāng)欠壓保護(hù)模塊檢測(cè)到VB電壓偏低，并判斷發(fā)生欠壓時(shí)，提供給驅(qū)動(dòng)級(jí)電路的Buff H和Buff L電平應(yīng)該為1和0，當(dāng)VB電壓回升至正常電壓時(shí)，死區(qū)產(chǎn)生電路會(huì)重新開(kāi)啟電路，恢復(fù)工作狀態(tài)。從圖6中給出的瞬態(tài)仿真結(jié)果可以看出，電路正常工作時(shí)，電平轉(zhuǎn)換和邏輯關(guān)系完全正確。當(dāng)VB電壓降低到11.9V并觸發(fā)欠壓保護(hù)電路產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)時(shí)，BuffH和Buff L電平被鎖定，輸出HO和LO信號(hào)也被鎖定;當(dāng)VB電壓回升至12.68V以上電壓時(shí)，電路恢復(fù)正常工作狀態(tài)。仿真結(jié)果可以看出，電路功能完全正確，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

采用上華BCD工藝設(shè)計(jì)了一種用于增強(qiáng)型GaN HEMT器件的柵驅(qū)動(dòng)電路，給出了詳細(xì)的電路結(jié)構(gòu)和具體實(shí)現(xiàn)電路，仿真表明電路功能正確，滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]張波，鄧小川，陳萬(wàn)軍等.寬禁帶功率半導(dǎo)體器件技術(shù)[J]，電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009， 38 （05）： P618-623

[2]王樹(shù)奇，吉才，劉樹(shù)林.GaN組合開(kāi)關(guān)電路及其驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36 （06）：P882-887

[3]張弘，鄭介鑫，郭建平.GaN功率開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究與發(fā)展[J].電力電子技術(shù)，2017，51 （08）：P71-73

[4]何亮，鄭介鑫.GaN功率開(kāi)關(guān)器件的產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].電力電子技術(shù)，2017，51 （08）：P44-48

[5]任小永.David Reusch，季澍等.氮化鎵功率晶體管三電平驅(qū)動(dòng)技術(shù)[J]，電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28 （05）：P202-206.