[发明专利]用于增强型GaN HEMT的高频智能半桥栅驱动电路

说明书

本发明提供一种用于增强型GaN HEMT的高频智能半桥栅驱动电路，用于对外部输入的低压数字输入信号HI和LI进行处理并输出高侧输出信号HO和低侧输出信号LO，其特征在于，包括：输入接收电路、数控高精度死区时间产生电路、低侧数控延时电路、低侧高效率输出驱动电路L、高侧预驱动电路、低延时高压电平移位电路、高侧高效率输出驱动电路H、栅压钳位电路、短路保护电路以及欠压保护电路。其中，数控高精度死区时间产生电路和低侧数控延时电路内部的延迟电路采用数字控制延时电路，栅压钳位电路具有第一PMOS晶体管M1L、第二PMOS晶体管M2L、NMOS晶体管M3L、比较器、钳位反相器和2输入或门。

技术领域

本发明涉及一种属于集成电路技术领域，具体涉及一种用于增强型GaN HEMT的高频智能半桥栅驱动电路。

背景技术

随着超结金属-氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的出现和普及，特别是以碳化硅SiC和氮化镓GaN为代表的宽禁带功率半导体器件的兴起，新一代电力电子应用系统对功率半导体器件驱动技术要求日益提高，这其中最核心的因素就是对功率半导体器件功能进行控制的高压栅驱动芯片。新一代电力电子整机系统为了进一步提高整机可靠性，并降低整机系统设计复杂度，对高压栅驱动芯片的智能化提出了更高的需求。

根据不同的栅极结构，GaN器件可以分为两类，耗尽型Ga N器件和增强型Ga N器件。GaN器件的特性决定了，该类器件在驱动设计考虑时有一些需要特别注意的因素：如VTH低、VGS上限低、寄生参数对高di/dt和dv/dt敏感以及无反向导通二极管等问题，很大程度上限制了Ga N器件在各种高频功率拓扑中的应用。

在诸多栅驱动芯片中，半桥栅驱动芯片是一种最常用的芯片架构，现有的半桥栅驱动芯片由高侧和低侧驱动电路构成。通常高低侧驱动电路之间有高低压隔离区，必须使用高压电平移位电路将低压输入HI信号传输给高侧输出驱动电路。现有技术中，高压电平移位电路必须使用耐高压的LDMOS来实现信号传输，而高压LDMOS存在很大的寄生电容，会严重限制高压电平移位电路的信号处理速度，采用该技术的650V高侧驱动电路的速度通常被限制在200KHz以下，无法满足以GaN和SiC为代表的宽禁带功率器件超过MHz的处理速度要求。

此外，现有的半桥栅驱动芯片当被设计定型之后，其高/低侧输出控制信号的输出驱动能力将被固化。在实际应用中，为防止输出电流对负载功率开关的栅极造成损坏，通常在高/低侧输出端串接一个电阻，以抑制栅极电压过冲影响。串接保护电阻会带来2个问题，一是电阻上的开关损坏变大，降低驱动电路的效率；二是增加了驱动延时，最终降低系统开关频率。

GaN器件由于具有较小的CISS电容，交叠损耗下降，但开关速度的提升使其在高压大电流应用下di/dt和dv/dt性能变差，功率驱动级产生的电磁干扰(EMI)问题严重阻碍GaN电源模块的系统集成。高的开关频率会导致较大的di/dt和dv/dt，从而将高频EMI噪声引入，这会在关键的安全系统中产生不必要的噪声甚至故障。这些寄生效应所产生的电流和电压尖峰，可能会导致GaN器件损坏或者导致相关的低压逻辑电路损坏。

虽然Ga N器件没有体二极管，但有其独特的反向导通机理，其反向导通电压高于Si MOSFET。这种特性使其在某些功率转换电路中(例如死区时间内)导致更高的导通损耗。随着死区时间的增大，系统的功率损失和转换效率都会退化，在高频情况下会更加严重。同时，当采用负压关断的技术来实现耗尽型Ga N器件的驱动时，关断电压会叠加在死区时间的负压上，进一步增加死区时间的损耗。

发明内容

为解决上述问题，提供一种用于增强型GaN HEMT的高频智能半桥栅驱动电路，可以减小电平移位电路的延迟，提高整体驱动电路速度同时降低电路功耗，本发明采用了如下技术方案：