[发明专利]一种GaN栅驱动电路的系统保护方法

说明书

一种GaN栅驱动电路的系统保护方法，属于电子电路技术领域。GaN栅驱动电路直接驱动GaN功率管，将GaN功率管与Si基驱动器安装在同一个低热阻热传导材料上，通过检测Si MOS管的结温能够准确感测GaN功率管的结温变化，通过采样与GaN功率管串联的Si MOS管的电流能够准确采样GaN功率管的电流，设计针对多条电源轨的多重欠压保护，当GaN栅驱动电路正常工作时Si MOS管开启，当系统出现过温、过流或欠压任一种情况时关断Si MOS管，从而关断GaN功率管实现系统保护；另外，针对高压驱动电路还在过流比较器中设置过流信号、过温信号和欠压信号作为使能信号，实现在过温时同时触发过流保护。

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体涉及到一种适用于GaN栅驱动电路的系统保护方法的设计。

背景技术

近些年，由于AI、数据处理、存储、5G通信及工业自动化产业的飞速发展，业界对于更高功率密度变换器的需求也随之增长。这意味着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Si材料器件作为功率级，相比之下，由于GaN功率开关器件具有更高的击穿电压、更小的导通电阻R_{ds_on}、更小的栅极电荷Q_G、更小的寄生电容以及无反向恢复时间等良好的物理特性，因此以第三代宽禁带半导体GaN材料制成的功率开关器件在高速高功率的功率电子应用中逐渐成为主流。

如图1所示为传统的双通道Si材料功率器件的驱动电路系统拓扑图。传统的Si基驱动电路保护系统应该包含过温、过流、欠压三种保护机制。传统半桥驱动电路采用自举的方式为高侧电路提供高侧供电电压BST，如图1中灰色框图部分，快恢复二极管D_boot和自举电容C_boot构成自举通路，在下功率管M_L开启时通过自举通路为自举电容充电，随后在下功率管M_L关断上功率管M_H开启时，开关节点SW处电压V_SW上升至输入电压V_IN，由于自举电容C_boot两端电压不能突变，BST＝V_SW+V_boot，V_boot是自举电容C_boot两端电压，从而得到高侧电路的供电电压BST。为了保证高侧电路能够正常工作，且高侧功率管栅极电压V_GH逻辑高电平足够开启上功率管M_H，需要在高侧电路加入欠压保护电路UVLO_HS。因为开关节点SW为高侧电路的相对参考地，因此UVLO_HS的相对电源和地应为BST和SW，即欠压保护电路UVLO_HS监测BST-V_SW的电压差，保证高侧电路所有模块均可正常工作，如图1所示。若BST＝V_SW+V_boot发生欠压，则关断高侧电路，直到欠压解除后才放行高侧电路正常工作。同样低侧电路也需要欠压检测模块UVLO_LS监测外部电源电压VDD是否欠压。

传统Buck电路的过流保护通过在Si功率管旁按比例K:1并联一个相同的采样管(Sense FET)实现，采样管流过电流的大小可以近似认为是电感电流IL的1/K。根据采样电流的大小即可以监测电感电流大小。

电路中温度较高的部分为流过大电流的器件，如功率开关器件。传统过温保护的原理是检测Si功率器件PN结的温度特性。对于理想的PN结，其正向导通压降V_BE和电流I_F的关系为：

其中k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电荷量，I_S为反向饱和电流。其中I_F为常数(由恒流源产生)。反向饱和电流I_S的表达式如下：

其中C、r为常数，V_g(0)为绝对零度下PN结导带底和价带顶的电势差。将式(1)和(2)合并简化可得PN结正向导通结电压降公式为：