[发明专利]一种用于GaN HEMT功率器件的驱动控制芯片

说明书

本发明公开了一种用于GaN HEMT功率器件的驱动控制芯片，通过采用压控电流源高边管栅极钳位技术，自适应调节自举充电路径的电流，防止自举电源轨超过GaN HEMF功率器件的栅源耐压，克服了高边管易损的难题。同时，本发明高低边管采用独立通道控制，从而根据应用准确的控制死区时间，减少高频下的死区损耗，提高系统效率。另外，本发明片内集成高压管开关，控制自举充电路径的开启或关闭，实现控制电路全集成，减少片外元件，提高系统集成度。

技术领域

本发明属于集成电路设计及功率开关器件控制技术领域，具体涉及一种用于GaNHEMT功率器件的驱动控制芯片。

背景技术

电力电子器件被广泛应用在功率开关领域，随着对开关电源高效率、高功率密度、小型化要求的提高和材料科学的不断发展，功率器件将对整个系统效率、性能和成本产生不可估量的影响。GaN HEMT(High Electron Mobility Transistor，高电子迁移率晶体管)具有临界场强高、电子饱和速度高、电子迁移率高以及导热率高等特点，凭借其材料优势能够满足未来电源系统高功率、高速的要求，具有良好的应用前景。GaN HEMT的特性表现出来和硅基MOSFET相近，但是也存在一定的差异：GaN的栅极驱动电压限值较小，合适的栅极驱动电压范围狭窄，以EPC公司的低压GaN功率管为例，其栅极驱动电压最高不能超过6V，推荐的栅源电压围为4～5.25V，因此在设计驱动电路时需要对栅极驱动电压进行钳位，防止电压过冲，造成器件损坏。同时，GaN没有寄生体二极管，并且其反向导通压降较大，可以达到2～3V，在死区时间期间，低边的GaN功率管会产生很大的反向导通损耗，高边的GaN管栅源电压可能超过耐压而被击穿，这些特性都对其驱动电路提出新的要求。

以获得广泛应用的半桥电路分析，如图1所示，由于上下管均采用N型功率管需要采用自举电路给高边GaN管提供栅极电压，当下管导通时，低边供电电压V_DD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V_DD，同时自举电容C_Boot提供高边栅极驱动所需要的能量，自举电容两端的电压会被充到V_boot＝V_DD-V_F+V_SD，其中V_F是自举二极管的导通压降，V_SD是下管的反向导通电压。对于GaN功率管来说，下管反向导通电压会比自举二极管的导通压降大很多，因此自举电容两端的电压最终会被冲到大于供电电压V_DD，而V_DD一般为5V，会超过GaN功率管栅极耐压，造成器件的损坏，这在GaN驱动电路设计中是需要考虑并且解决的问题。

因此，传统的用于MOS功率器件的驱动电路并不适用与GaN功率器件，对于GaN反向导通压降过大导致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：在自举电容两端并联齐纳二极管，将高边管的栅极驱动电压钳位到安全供电电压范围内，将上下管的死区时间控制在几个ns内，减少GaN功率管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；另一种方法是在低边GaN功率管两端反并肖特基二极管，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

鉴于上述，本发明提出了一种用于GaN HEMT功率器件的驱动控制芯片，通过自适应控制自举电路充电电流的方式来限制高边电源轨过高，顺利地解决了GaN功率管的反向导通电压降过大造成半桥电路中高边管栅源电压超过耐压的问题。

一种用于GaN HEMT功率器件的驱动控制芯片，包括：

高边自举电路，采集高边驱动电路中自举电容的电压，根据该电压大小自适应调节流经自举电容的电流；