[发明专利]一种具有钳位功能的自举电路

说明书

本发明公开一种具有钳位功能的自举电路，属于集成电路技术领域。所述自举电路用于半桥驱动电路中，通过检测高侧浮动电源地端的电压是否达到设置的阈值电压，以判定是否阻断所述自举电路中自举电容的充电回路，防止自举电压过充。当高侧浮动电源地端电压下降到设置的阈值电压时，电压比较器的输出状态发生翻转，输出高电平，关断PMOS管，阻断自举电容的充电回路，防止自举电压过高。当高侧浮动电源地端电压回升到设定阈值电压时，电压比较器的输出状态再次发生翻转，输出低电平，开启PMOS管，开启自举电容的充电回路，自举电容两端的电压上升。该电路可以自动调节高边自举电源轨电压，保证自举电压在安全工作范围内，提高可靠性。

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种具有钳位功能的自举电路，适用于GaN驱动芯片中。

背景技术

随着电力电子设备朝高功率、高效率、小体积和轻重量的方向不断发展，对功率开关器件性能的要求越来越高，传统的Si功率器件也越来越难以满足要求。GaN(氮化镓)作为第三代半导体材料的代表，相比于传统的Si材料，具有更高的电气性能，如禁带宽度大、击穿场强高、热导率大、电子饱和速度高、介电常数小、抗辐射能力强、化学性质温度和功率密度高等。采用GaN材料制备的器件具有更低的导通损耗和更高的频率响应性能，意味着GaN功率器件在制备小体积、高效率电源模块方面具有很大优势，具有良好的应用前景。但驱动GaN功率器件时存在一些需要特别注意的因素，如栅极耐压小、栅极安全工作电压范围窄、阈值电压低、反向导通电压大、对寄生因素敏感等，这对面向GaN功率器件的驱动电路设计提出了新的要求。

对于半桥驱动电路，需要采用自举电路给高侧提供自举电压，驱动上管MN2，如图1所示。当下管MN1开启时，低边供电电压VDD通过高速自举二极管D_BOOT对自举电容C_BOOT进行充电；当上管导通时，自举二极管D_BOOT阻断低边供电电压VDD，同时自举电容C_BOOT提供高边栅极驱动所需要的能量。在半桥驱动电路中，为了防止上管和下管出现直通的现象，需要设置死区时间，在死区时间内，HO点和LO点都为低电平，上管MN2和下管MN1都关断。在电平转换的过程中，当上管MN2关闭后，由于电感L上的电流不能够发生突变，需要通过下管MN1反向导通进行续流，HS端的电压将会迅速下降到0电位以下，此时，在自举电容两端的电压会被充到V_BOOT＝VDD-V_F+V_SD，其中V_F是自举二极管的导通压降、V_SD是下边GaN功率器件的反向导通电压。对于GaN功率器件来说，反向导通电压会随着负载电流的增大迅速增加，当负载电流为20A时，其值达到2.2V，要远远大于传统功率器件的反向导通电压，使得自举电容C_BOOT两端的电压被迅速充到大于6V(VDD一般为5V)，超过GaN功率器件的栅极耐压，造成器件的损坏。这在GaN功率器件的驱动电路设计中是需要考虑并且解决的问题。

对于GaN功率器件反向导通压降过大、高边管自举电压过压的问题，学界和工业界的解决方案主要有：将上下管的死区时间控制在几个ns内，减少GaN功率器件的反向导通电流和反向导通电压的交叠时间，从而减少反向导通损耗，但是这样会引入更大的寄生电容和反向恢复电荷，制约开关频率的提高；在低边GaN功率器件两端反并二极管，充当体二极管的作用，从而将反向导通电压钳位到一个较低的电压水平，但是反并二极管会流过一定的电流产生损耗，有研究表明这样会增加40％的电流损耗，同时可能引发高边电路的欠压锁定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有钳位功能的自举电路，以解决目前无法妥善解决GaN功率器件反向导通压降过大、高边管自举电压过压的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有钳位功能的自举电路，用于半桥驱动电路中以驱动GaN功率器件，所述半桥驱动电路包括：

依次相连的第一前级电路、电平移位电路和第一缓冲器，所述第一缓冲器的输出端接NMOS管MN1的栅端；