[发明专利]一种氮化镓三极管栅极驱动电路及其控制方法

说明书

本发明公开了一种氮化镓三极管栅极驱动电路及其控制方法，栅极驱动电路包括驱动电路和输出电路；驱动电路包含电源模块、变换器模块、半桥模块和调压模块；电源模块、变换器模块、半桥模块和调压模块串联；半桥模块、调压模块和输出电路构成正栅压控制电路和负栅压控制电路。本发明将栅极电压信号范围扩宽为‑20V到20V，满足了增强型和耗尽型氮化镓三极管的驱动需求，同时正栅压控制电路和负栅压控制电路互不干扰，确保了安全高可靠操作，并且仅需单电源V1供电，电路设计简单。

技术领域

本发明涉及一种氮化镓三极管栅极驱动电路及其控制方法，属于电子电路技术领域。

背景技术

具备高击穿电压、快开关速度和低导通电阻等优势的氮化镓功率三极管，被逐渐应用于功率变换系统中，包括各类变换器和逆变器。根据栅极沟道是否存在二维电子气，将氮化镓功率三极管分为增强型和耗尽型两种结构。得益于低制造成本、优越性能和高可靠性，P型栅极结构成为构建增强型氮化镓三极管的关键技术方法。在开关应用中，前级驱动会提供连续变化的高电平和低电平驱动信号给氮化镓三极管的p型栅极，从而控制器件导通或者关断。

为避免栅极漏电和时间相关的栅极击穿，p型栅极的开启电压最高限定在6V-7V，远低于硅基三极管的开启电压(＞15V-20V)。低开启电压直接造成较窄的栅极安全工作范围。虽然期望器件在低电平驱动下完全阻断沟道电子流动，实际表面钝化层或者异质结界面陷阱捕获电子产生的“虚栅”会让器件阈值电压出现漂移，从而影响器件正常关断和承受漏端电压应力。为了让器件在低电平驱动下完全关断，栅极驱动电压应具备宽调节范围，并且能实现负栅压关断。另一方面，为了关断常开的栅极沟道，耗尽型氮化镓三极管也需要负栅压关断，并且负压值一般需低于-15V，然而常规的氮化镓驱动芯片电平信号≥0V，无法实行负栅压关断。因此，为了拓宽氮化镓三极管的栅极信号范围，实现负栅压关断，避免器件误开启，需要提供一种简单调节的、高可靠的栅极驱动方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种氮化镓三极管栅极驱动电路及其控制方法，通过组合半桥模块、调压模块和输出模块，引入正栅压控制电路和负栅压控制电路，将栅极电压信号范围扩宽为-20V到20V，从而满足了增强型和耗尽型氮化镓三极管的驱动需求，可以确保器件正常导通和关断；并且，正栅压控制电路控制正电压信号，负栅压控制电路控制负电压信号，两者互不干扰，确保安全高可靠操作；同时，栅极驱动电路适用于增强型和耗尽型两种氮化镓三极管，应用范围广；而且，栅极驱动电路仅需单电源供电，电路设计简单。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种氮化镓三极管栅极驱动电路，包括驱动电路和输出电路；驱动电路包含电源模块、变换器模块、半桥模块和调压模块；

电源模块、变换器模块、半桥模块和调压模块串联；

半桥模块包含两个互相串联的驱动三极管Q1和驱动三极管Q2，驱动三极管Q1的漏极和驱动三极管Q2的源极并接于调压模块；

调压模块包含稳压电容C2、稳压电容C3、调压组件S1和调压组件S2，稳压电容C2并接于调压组件S1构成正栅压控制模块，稳压电容C3并接于调压组件S2构成负栅压控制模块，正栅压控制模块串接于负栅压控制模块并且中间连接点O1为零电平对地信号；

输出电路包含栅极电阻Rg、氮化镓三极管Q3、负载电感L1、续流二极管D2和偏置电压V2，栅极电阻Rg的一端连接驱动三极管Q1的源极，栅极电阻Rg的另一端连接氮化镓三极管Q3的栅极，负载电感L1并接于续流二极管D2，续流二极管D2的阳极连接于氮化镓三极管Q3的漏极，续流二极管D2的阴极连接于偏置电压V2的正极，偏置电压V2的负极与氮化镓三极管Q3的源极并接于零电平对地信号O1。

上述半桥模块中驱动三极管Q1和驱动三极管Q2的导通和关断受数字信号发生器控制。