[发明专利]带保护功能的增强型GaN功率器件栅驱动电路

说明书

本发明公开了一种带保护功能的增强型GaN功率器件栅驱动电路，包括接口电路H、接口电路L、死区产生电路、电平移位电路、低端延迟匹配电路、驱动电路H、驱动电路L、欠压封锁电路H、欠压封锁电路L、过流保护电路和过热保护电路；该驱动电路可以自动检测芯片过热、电源电压欠压或者过流现象，并关闭GaN功率器件进行保护，保证其工作特性处于安全区。

技术领域

本发明属于集成电路设计领域，更具体地，涉及一种应用于GaN功率器件的具有保护功能的栅极驱动电路。

技术背景

以硅材料为基础的传统电力电子功率器件已逐步逼近其理论极限，难以满足电力电子技术高频化和高功率密度化的发展需求。与传统的Si器件相比，GaN器件展现了其在导通电阻和栅极电荷上的优势，可以使功率转换器实现更小体积、更高频率及更高效率，从而在汽车、通信、工业等领域中具有广阔的应用前景。开关频率的提高，不仅能有效地减小系统电路中电容、电感及变压器的尺寸，而且还可以抑制干扰、减小纹波、改善电源系统单位增益带宽从而提高其动态响应性能。而高速的栅极驱动电路用于驱动GaN功率器件，使得整个功率转换器达到高效率且减小电路面积，节省成本。

图1示出了功率模块中最常用的典型GaN半桥驱动电路框图。如图1所示，典型的GaN半桥驱动电路分为高端和低端两路通道，采用自举升压的方式，两路低压输入通道。在低端功率GaN器件导通期间，开关节点(SW)被下拉至地，此时VDD通过自举二极管给自举电容充电使得自举电容两端电压差接近VDD。当下端管关闭时，高端输入信号将高端管开启，开关节点电压上升至VIN，即VSW上升至VIN。由于自举电容两端电压不变，故自举电压轨HB被自举到VSW+VDD。高端电路始终保持VHB–VSW≈VDD。而HB被自举电容自举时，自举二极管的阴极电压为高电位，高于阳极电压VDD，因此自举二极管反偏截止。

GaN功率器件中目前广为应用的为GaN FETs，其与Si MOSFET相比主要有以下特点：在同样的耐压下导通电阻和器件体积小；开关速度快；电流密度大，功率密度高。GaNFETs的这些特点保证了GaN FETs在未来功率电子应用领域具有非常广阔的前景与市场。但是也存在一些需要特别注意的因素：阈值电压低；栅源电压上限VGS(MAX)低；可反向导通。上述需特别考虑的因素在驱动GaN器件时会带来一些问题，导致目前传统的用于MOS功率器件的驱动电路并不适用于GaN功率器件。GaN功率器件通常用在高频开关频率下(MHz以上)，尤其是开关频率达到10MHz之后，传统栅极驱动较大的延时(几十纳秒)就会占开关周期比例过大，甚至导致逻辑错误，进而限制了开关频率无法升高。并且GaN FETs的超高工作频率，GaN FETs的可靠性保护将变得异常重要。因此很有必要提供一种具有保护功能的栅驱动电路。

发明内容

本发明的目的是克服现有栅驱动电路的不足，提供一种应用于GaN功率器件的具有保护功能的栅极驱动电路。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种带保护功能的增强型GaN功率器件栅驱动电路，其特征是：包括接口电路H、接口电路L、死区产生电路、电平移位电路、低端延迟匹配电路、驱动电路H、驱动电路L、欠压封锁电路H、欠压封锁电路L、过流保护电路和过热保护电路；

所述带保护功能的增强型GaN功率器件栅驱动电路的连接关系为：接口电路H的正负逻辑输出端连接到死区产生电路的第一和第二输入端；接口电路L的正负逻辑输出端连接到死区产生电路的第三和第四输入端；欠压封锁电路L的检测输出端连接到死区产生电路的第五输入端；过流保护电路的检测输出端连接到死区产生电路的第六输入端；过热保护电路的检测输出端连接到死区产生电路的第七输入端；欠压封锁电路H的检测输出端连接到死区产生电路的第八输入端；死区产生电路的第一输出端连接到电平移位电路的控制信号输入端，死区产生电路的第二输出端连接到低端延迟匹配电路的控制信号输入端；电平移位电路的信号输出端连接到驱动电路H；低端延迟匹配电路的信号输出端连接到驱动电路L。