一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路及控制方法

摘要

本发明公开了一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路及控制方法，所述驱动电路是针对一种非绝缘栅型GaN HEMT的无容式高速驱动电路，用于驱动GaN HEMT，包括高速开通电路、稳态驱动电路、关断电路和反相电路。通过所述驱动电路实现的控制方法，能够在GaN HEMT开关过程中提供足够大的电流尖峰，稳态时提供足够的驱动电流维持GaN HEMT的正常导通，且关断后不会出现栅源负压，降低其反向导通损耗，高速开关的同时尽可能降低驱动损耗，实现高速、高效率驱动GaN HEMT。

权利要求

1.一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路，其特征在于：包括高速开通电路、稳态驱动电路、关断电路和反相电路；

所述高速开通电路包括第一开关管Q1、外接电阻R1和外接电容C1，所述第一开关管Q1的源极连接第一供电电源UDRV1，第一开关管Q1的漏极连接GaN HEMT的栅极；外接电阻R1的一端连接第一开关管Q1管的源极，外接电阻R1另一端连接在第一开关管Q1的栅极；外接电容C1的一端连接第一开关管Q1的源极，外接电容C1另一端连接第一开关管Q1的栅极；

所述稳态驱动电路包括第二开关管Q2、外接电阻R2、外接电阻R3和外接电容C2，所述第二开关管Q2的源极连接第一开关管Q1的栅极，第二开关管Q2的栅极连接外接电容C2的一端，第二开关管Q2的漏极连接外接电阻R2的一端；外接电阻R2另一端连接第一开关管Q1的漏极；外接电阻R3一端连接外接电容C2的另一端，外接电阻R3另一端连接第二开关管Q2的源极；

所述关断电路包括第三开关管Q3和外接电阻R4，所述第三开关管Q3漏极依次连接外接电阻R2，第一开关管Q1的漏极和GaN HEMT的栅极，第三开关管Q3的栅极连接外接电阻R4的一端，第三开关管Q3的源极连接GaN HEMT的源极；外接电阻R4另一端连接外接电容C2的所述一端、第二开关管Q2的栅极、第四开关管Q4的漏极和第五开关管Q5的漏极；

所述反相电路包括第四开关管Q4和第五开关管Q5，第四开关管Q4的栅极连接驱动信号S1，第四开关管Q4的源极连接第二供电电源UDRV2，第四开关管Q4的漏极连接第五开关管Q5的漏极；第五开关管Q5的栅极连接驱动信号S1，第五开关管Q5的源极连接所述GaN HEMT的源极。

2.根据权利要求1所述的一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路，其特征在于：所述高速开通电路有3个端口，包含一个输入端和两个输出端，所述稳态驱动电路有3个端口，包含两个输入端和一个输出端。

3.如权利要求1所述的一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路的控制方法，其特征在于：控制信号S1为高电平时，第五开关管Q5开通，第四开关管Q4关断，此时第一供电电源UDRV1为外接电容C1和外接电容C2充电，由于外接电阻R1和外接电阻R3的存在，外接电容C2的充电速度低于外接电容C1的充电速度，第一开关管Q1先开通，为GaN HEMT开通提供较大的栅极电流尖峰；待GaN HEMT栅源电压超过其阈值电压，GaN HEMT开通后，第二开关管Q2开通，与第一开关管Q1同时为GaN HEMT提供栅极电流，由于流过第二开关管Q2的电流很小，第一外接电阻R1取值也比较小，外接电容C1通过外接电阻R1放电，第一开关管Q1关断；第一供电电源UDRV1通过外接电阻R1、第二开关管Q2和外接电阻R2为GaN HEMT提供较低的稳态驱动电流；控制信号S1为低电平时，第四开关管Q4开通，第五开关管Q5关断，外接电容C2放电，第二开关管Q2关断，第三开关管Q3开通，为GaN HEMT提供放电回路，GaN HEMT关断。

说明书

一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路及控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子技术，涉及一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路及控制方法，尤其涉及一种非绝缘栅型GaN HEMT的无容式高速驱动电路及其控制方法。

背景技术

[0002] 氮化镓(GaN)器件作为新型宽禁带半导体代表性器件之一，比Si器件具有更低的导通电阻、更快的开关速度和更高的结温工作能力等优势，用其代替Si器件作为制作变换器的功率器件有望显著提高变换器的最高工作频率、效率，降低其体积、重量。

[0003] 增强型GaN HEMT(eGaN HEMT)由于其常断特性和众多的应用功率等级(15～650V、3.4A～120A)，受到了广泛关注。非绝缘栅型GaN HEMT是增强型GaN HEMT的一种，非绝缘栅型器件是通过在栅极下方加入p型掺杂层将栅源阈值电压提升为正压，实现常通型器件向常断型器件的转换，非绝缘栅型器件的特点是栅极会表现出类似二极管的特性，当栅源电压高于阈值电压之后，会出现一定的栅极电流，在稳定导通过程中也需要一定的栅极电流维持导通，且可以通过控制栅极电流的大小来控制漏极电流，是一种电流控制型器件。现有技术针对非绝缘栅型GaN HEMT的驱动电路往往采用阻容式驱动，在GaN HEMT开通和关断时能够提供较大的栅极电流，加快开关速度，稳态时通过大电阻限流，降低驱动损耗。但是阻容式驱动电路存在以下问题：(1)驱动回路中存在寄生电感，会与驱动电路中的电容相互作用，会使栅源电压出现振荡，可能导致器件损坏；(2)导通过程中，加速电容会储存一定能量，关断时加速电容加在栅源两端，会使GaN HEMT的栅源电压为负，增加续流损耗；(3)加速电容中储存的能量无法返回电源，增大驱动损耗。阻容式驱动电路存在的缺点，导致了其实际应用价值受限。

发明内容

[0004] 发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明提供一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路及控制方法，包括驱动电路和控制方法，本发明充分发挥GaN HEMT高速开关的性能优势，且关断后不会出现栅源负压，降低反向导通损耗，降低驱动损耗的同时保证高速开关。

[0005] 技术方案：本发明公开的是一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路及控制方法，包括一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路和一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路的控制方法。

[0006] 一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路，所述电路为无容式高速驱动电路，包括高速开通电路、稳态驱动电路、关断电路和反相电路；所述高速开通电路输入端与第一供电电源连接，其输出端分别连接GaN HEMT的栅极和稳态驱动电路输入端；所述稳态驱动电路输入端分别连接反相电路输出端和高速开通电路输出端，其输出端连接依次连接高速开通电路输出端和GaN HEMT栅极；所述关断电路连接在GaN HEMT栅极和源极之间，其输入端连接反相电路输出端；所述反相电路与第二供电电源相连，并依次连接稳态驱动电路和关断电路。

[0007] 进一步的，所述高速开通电路有3个端口，包含一个输入端和两个输出端，所述稳态驱动电路有3个端口，包含两个输入端和一个输出端。

[0008] 更进一步的，所述高速开通电路包括第一开关管Q1、外接电阻R1和外接电容C1，所述第一开关管Q1的源极连接第一供电电源UDRV1，第一开关管Q1的漏极连接GaN HEMT的栅极；外接电阻R1的一端连接第一开关管Q1管的源极，另一端连接在第一开关管Q1的栅极；外接电容C1的一端连接第一开关管Q1的源极，另一端连接第一开关管Q1的栅极；

[0009] 进一步的，所述稳态驱动电路包括第二开关管Q2、外接电阻R2、外接电阻R3和外接电容C2，所述第二开关管Q2的源极连接第一开关管Q1的栅极，第二开关管Q2的栅极连接外接电容C2的一端，第二开关管Q2的漏极连接外接电阻R2的一端；外接电阻R2一端连接第二开关管Q2的漏极，另一端连接第一开关管Q1的漏极；外接电阻R3一端连接外接电容C2的一端，另一端连接第二开关管Q2的源极。外接电容C2一端连接外接电阻R3的一端，另一端连接第二开关管Q2的栅极。

[0010] 进一步的，所述关断电路包括第三开关管Q3和外接电阻R4，所述第三开关管Q3漏极依次连接外接电阻R2，第一开关管Q1的漏极和GaN HEMT的栅极，第三开关管Q3的栅极连接外接电阻R4的一端，第三开关管Q3的源极连接GaN HEMT的源极；外接电阻R4一端依次连接外接电容C2、第二开关管Q2的栅极、第四开关管Q4的漏极和第五开关管Q5的漏极，另一端连接第三开关管Q3的栅极。

[0011] 进一步的，所述反相电路包括第四开关管Q4和第五开关管Q5，第四开关管Q4的栅极连接驱动信号S1，第四开关管Q4的源极连接第二供电电源UDRV2，第四开关管Q4的漏极连接第五开关管Q5的漏极；第五开关管Q5的栅极连接驱动信号S1，第五开关管Q5的漏极连接第四开关管Q4的漏极，第五开关管Q5的源极连接GaN HEMT的源极。

[0012] 一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路的控制方法，控制信号S1为高电平时，第五开关管Q5开通，第四开关管Q4关断，此时第一供电电源UDRV1为外接电容C1和外接电容C2充电，由于外接电阻R1和外接电阻R3的存在，外接电容C2的充电速度低于外接电容C1的充电速度，第一开关管Q1先开通，为GaN HEMT开通提供较大的栅极电流尖峰；待GaN HEMT栅源电压超过其阈值电压，GaN HEMT开通，第二开关管Q2开通，与第一开关管Q1同时为GaN HEMT提供栅极电流，由于流过第二开关管Q2的电流很小，第一外接电阻R1取值也比较小，外接电容C1通过外接电阻R1放电，第一开关管Q1关断；第一供电电源UDRV1通过外接电阻R1、第二开关管Q2和外接电阻R2为GaN HEMT提供较低的稳态驱动电流；控制信号S1为低电平时，第四开关管Q4开通，第五开关管Q5关断，外接电容C2放电，第二开关管Q2关断，第三开关管Q3开通，为GaN HEMT提供放电回路，GaN HEMT关断。

[0013] 有益效果：本发明与现有技术相比，其显著的效果在于：第一、驱动回路中不含电容，不会与电路中的寄生电感相互作用，产生振荡，可以提高驱动电路可靠性；第二、关断过程中GaN HEMT栅源两端不会出现负压，不会增加反向导通时的损耗；第三、本发明能够降低开关损耗及驱动损耗。

附图说明

[0014] 图1是本发明的电路图；

[0015] 图2是本发明中的高速开通电路图；

[0016] 图3是本发明中的稳态驱动电路图；

[0017] 图4是本发明中的关断电路图；

[0018] 图5是本发明中的反相电路图；

[0019] 图6是本发明中的驱动电路提供的驱动电流波形图。

具体实施方式

[0020] 为详细说明本发明公开的技术方案，下面结合说明书附图及具体实施例做进一步的阐述。

[0021] 如图1所示，一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路，用于驱动GaN HEMT，驱动电路包括高速开通电路，稳态驱动电路，关断电路和反相电路；其中，高速开通电路有3个端口，输入端连接第一供电电源，一个输出端连接GaN HEMT的栅极，另一个输出端连接稳态驱动电路输入端；稳态驱动电路有3个端口，一个输入端连接反相电路输出端，另一个输入端连接高速开通电路输出端，输出端依次连接高速开通电路输出端和GaN HEMT栅极；关断电路，连接在GaN HEMT栅极和源极之间，输入端连接反相电路输出端；反相电路与第二供电电源相连，并依次连接稳态驱动电路和关断电路。

[0022] 如图2所示是高速开通电路电路图，高速开通电路包括第一开关管Q1、外接电阻R1和外接电容C1，其中第一开关管Q1的源极连接第一供电电源UDRV1，第一开关管Q1的漏极连接GaN HEMT的栅极；外接电阻R1的一端连接第一开关管Q1的源极，另一端连接在第一开关管Q1的栅极；外接电容C1的一端连接第一开关管Q1的源极，另一端连接第一开关管Q1的栅极。

[0023] 如图3所示是稳态驱动电路电路图，稳态驱动电路包括第二开关管Q2、外接电阻R2、外接电阻R3和外接电容C2，其中第二开关管Q2的源极连接第一开关管Q1的栅极，第二开关管Q2的栅极连接外接电容C2的一端，第二开关管Q2的漏极连接外接电阻R2的一端；外接电阻R2一端连接第二开关管Q2的漏极，另一端连接第一开关管Q1的漏极；外接电阻R3一端连接外接电容C2的一端，另一端连接第二开关管Q2的源极。外接电容C2一端连接外接电阻R3的一端，另一端连接第二开关管Q2的栅极。

[0024] 如图4所示是关断电路电路图，关断电路包括第三开关管Q3和外接电阻R4，其中第三开关管Q3漏极依次连接外接电阻R2，第一开关管Q1的漏极和GaN HEMT的栅极，第三开关管Q3的栅极连接外接电阻R4的一端，第三开关管Q3的源极连接GaN HEMT的源极；外接电阻R4一端依次连接外接电容C2、第二开关管Q2的栅极、第四开关管Q4的漏极和第五开关管Q5的漏极，另一端连接第三开关管Q3的栅极。

[0025] 如图5所示是反相电路电路图，反相电路包括第四开关管Q4和第五开关管Q5，其中第四开关管Q4的栅极连接驱动信号S1，第四开关管Q4的源极连接第二供电电源UDRV2，第四开关管Q4的漏极连接第五开关管Q5的漏极；第五开关管Q5的栅极连接驱动信号S1，第五开关管Q5的漏极连接第四开关管Q4的漏极，第五开关管Q5的源极连接GaN HEMT的源极。

[0026] 在本发明所提供的一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路采用如下控制方法，结合图6所示电平信号，图6为驱动电路提供的驱动电流波形。

[0027] 控制信号S1为高电平时，第五开关管Q5开通，第四开关管Q4关断，此时第一供电电源UDRV1为外接电容C1和外接电容C2充电，由于外接电阻R1和外接电阻R3的存在，外接电容C2的充电速度低于外接电容C1的充电速度，第一开关管Q1先开通，为GaN HEMT开通提供较大的栅极电流尖峰；待GaN HEMT栅源电压超过其阈值电压，GaN HEMT开通，第二开关管Q2开通，与第一开关管Q1同时为GaN HEMT提供栅极电流，由于流过第二开关管Q2的电流很小，第一外接电阻R1取值也比较小，外接电容C1通过外接电阻R1放电，第一开关管Q1关断。第一供电电源UDRV1通过外接电阻R1、第二开关管Q2和外接电阻R2为GaN HEMT提供较低的稳态驱动电流；控制信号S1为低电平时，第四开关管Q4开通，第五开关管Q5关断，外接电容C2放电，第二开关管Q2关断，第三开关管Q3开通，为GaN HEMT提供放电回路，GaN HEMT关断。

[0028] 在实际实施过程中，电阻的阻值大小与所驱动的eGaN HEMT的规格、驱动电路中的各个开关管和电容取值有关，本领域技术人员能够根据不同的实际需要做出合适的选择或调整。

[0029] 本发明提出一种非绝缘栅型GaN HEMT驱动电路及控制方法，能够在GaN HEMT开通和关断过程中提供足够大的电流尖峰，同时稳态时提供足够的驱动电流维持GaN HEMT的正常导通，关断不会出现栅源负压，降低其反向导通损耗，高速开关的同时尽可能降低驱动损耗，实现高速、高效率驱动GaN HEMT。