[发明专利]一种适用于GaN功率器件栅驱动电路的自举充电电路

说明书

一种适用于GaN功率器件栅驱动电路的自举充电电路，属于电源管理技术领域。包括自举充电模块、低压开关逻辑控制模块、过零检测模块、高压开关逻辑控制模块和高压电平位移模块，低压开关逻辑控制模块在第一低侧控制信号的控制下产生用于控制自举充电模块中第一PMOS管的低压开关信号，高压开关逻辑控制模块在过零检测信号、第一低侧控制信号和第二欠压信号的控制下产生用于控制自举充电模块中第二PMOS管的高压开关信号，过零检测信号由过零检测模块根据第二低侧控制信号采样栅驱动电路的开关节点处信号产生，高压电平位移模块用于得到合适电源轨的高压开关信号。本发明能够避免自举充电中负压过冲的现象，且解决了反向恢复损耗与高频过流性能退化的问题。

技术领域

本发明属于电源管理技术领域，具体涉及一种适用于功率器件栅驱动电路的自举充电电路，尤其适用于高频高功率密度的GaN功率器件栅驱动电路。

背景技术

随着近年来功率电子的发展，半桥驱动电路正朝着高功率密度、高频的方向发展，这也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硅功率管作为功率级，相比之下，由于GaN功率开关器件(如GaN高电子迁移率晶体管：GaN HEMT，以下阐述以GaN HEMT为例)具有耐高压、无反向恢复时间等良好的物理特性，因此采用GaN功率开关器件的半桥栅驱动电路拥有高速、高功率密度等优良特性。

如图1为传统的适用于Si功率开关器件的自举充电电路，该电路在死区时间和下功率管导通时间内对自举电容C_boot进行充电，在上功率管导通时间内给高侧驱动电路供电。对于半桥栅驱动电路而言，传统的自举充电电路已不适合作为GaN功率开关器件的浮动电源轨产生电路了。其一，传统自举充电电路工作在给自举电容C_boot充电的状态时，自举电容C_boot的上极板电位近似为芯片内部电源VDD，下极板电位为功率开关节点电压SW，而GaNHEMT在关断状态下，电流从源端流向漏端时，其漏源电压V_DS会有-2～-3V的负压，故在半桥栅驱动电路中，GaN HEMT作下功率管时，在死区时间内由于外接负载的抽载，存在功率级偏置电压V_SW为负的情况，且负载电流越高，负压情况越严重，因此会导致自举电容C_boot被过冲至远高于芯片内部电源VDD，使得GaN功率开关器件发生栅源击穿(GaN HEMT的栅源击穿电压较小，要求VGS<6V，最佳驱动电压不超过5.5V)。因此，传统自举充电电路应该添加控制，避免在死区时间内对自举电容C_boot充电。其二，由于GaN HEMT多应用于高压、高频的应用环境，电路对自举充电电路的带载能力要求很高，且必须适用于MHz的高频供电情况，然而片上高耐压快恢复功率二极管在半导体过程中很难实现，且全集成高压功率二极管在高频供电情况下性能会由于反向恢复时间和寄生电容的影响严重退化，使得传统自举充电电路在高频、高功率密度的应用要求下，不能及时补满自举电容C_boot上被消耗的电荷，从而影响浮动电源轨BST相对于开关节点SW的压差，使高侧驱动电路性能变差、上功率管开关损耗增大，甚至触发欠压保护导致电路不能正常工作。

发明内容

针对上述传统自举充电电路作为GaN功率开关器件的浮动电源轨产生电路时，由于死区时间内的负压导致自举电容C_boot过冲从而击穿GaN功率开关器件，和在高频高功率密度的应用要求下不能及时补满自举电容C_boot上被消耗的电荷的缺点，本发明提出一种功率器件栅驱动电路的自举充电电路，尤其适用于高频高功率密度的GaN功率器件栅驱动电路，利用全集成高压开关管Q2替换传统自举充电电路中的自举二极管，开关管Q2只在下功率管开启时导通，解决了死区时间内功率开关节点SW处电压为负造成的自举电容C_boot过冲的问题，且无反向恢复及反向恢复损耗，同时开关管Q2也不会有高频情况下过流性能退化的问题。

本发明的技术方案为：