氮化鎵晶體管的驅(qū)動方法、電路及應用其電路的反激變換器的制造方法
【專利說明】氮化鎵晶體管的驅(qū)動方法、電路及應用其電路的反激變換
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技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于功率變換技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及DC-DC功率變換器的氮化鎵晶體管的驅(qū)動方法、電路及應用其電路的反激變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，功率變換器正向著高功率密度和高效率方向發(fā)展。傳統(tǒng)功率變換器的工作頻率一般為幾十千到幾百千赫茲，動態(tài)響應慢，同時儲能元件(如電容、電感)的體積和重量相對較大，很大程度上降低了變換器的功率密度。而工作頻率的提高能夠有效加快變換器的動態(tài)響應速度以及變換器的功率密度。因此，變換器高頻化、高功率密度化是功率變換器的發(fā)展趨勢。
[0003]隨著基于第3代半導體材料的寬禁帶半導體器件的推出，功率變換器的工作頻率以及變換效率都得到了顯著的提升。作為寬禁帶半導體器件的典型代表，氮化鎵(GalliumNitride, GaN)器件具有小的導通電阻和極小的寄生電容，使得它可以工作在MHz的開關(guān)頻率處，從而在保證變換器效率相當?shù)那闆r下，極大地減小了無源器件的體積和重量，提高了變換器的功率密度?，F(xiàn)有的氮化鎵器件主要分為高壓的耗盡型氮化鎵器件和低壓的增強型氮化鎵器件，文本中所述氮化鎵器件都特指低壓的增強型氮化鎵晶體管器件。本文嘗試進一步推高氮化鎵器件的開關(guān)頻率，并將其應用到超高頻(Very High Frequency, VHF)變換器中。
[0004]雖然氮化鎵器件優(yōu)點很多，但它并未立即取代現(xiàn)有的硅器件，很大的原因在于它對于驅(qū)動嚴格的要求:1)驅(qū)動電壓最大值、最小值嚴格，最大不能超過6V，而一般驅(qū)動氮化鎵的電壓為5V左右，所以要求震蕩的電壓幅值小于IV，最小不能小于-5V;2)開啟電壓極小，典型值只有1.4V，而它的開關(guān)速度又極快，所以要注意防止dv/dt過大造成的誤導通情況發(fā)生，dv/dt指單位時間內(nèi)漏源兩極電壓的變化。現(xiàn)有的氮化鎵驅(qū)動芯片為了提高對dv/dt的抑制能力，都將氮化鎵輸入電容的放電回路的阻尼設置得特別小，大概在0.2歐姆左右，但是這樣做之后，帶來了另一個問題，就是輸入電容放電時，由于驅(qū)動回路中寄生電感的存在，驅(qū)動電壓的震蕩很厲害，有可能產(chǎn)生誤導通的現(xiàn)象，尤其在頻率達到MHz以上的狀態(tài)下，該問題未能得到解決。
[0005]除了驅(qū)動要求嚴格的問題之外，另外一個不同于硅器件的地方在于，氮化鎵器件沒有硅器件中常見的反偏二極管，嚴格來說，其反向偏壓與二極管具相似功能但機理不同。在未加驅(qū)動電壓時，電流反向流過氮化鎵晶體管的時候，需要依靠反向?qū)C制來使得電流導通。反向?qū)C制是氮化鎵晶體管在反向時需臨界電壓去開啟，二極管之正向電壓會比硅晶體管為高，由此引起的反向?qū)▔航禃芨?，大約是常見硅MOS管反偏二極管導通電壓的兩倍，反向?qū)〒p耗很大。另一方面，能工作在MHz開關(guān)頻率處的變換拓撲中，開關(guān)管多為軟開關(guān)工作，為了保證軟開關(guān)的實現(xiàn)，需要在其開通之前，留一定的死區(qū)時間，而死區(qū)時間內(nèi)，需要反偏二極管導通續(xù)流，對于氮化鎵器件而言，則是需要反向?qū)C制觸發(fā)來續(xù)流?？梢酝ㄟ^在外部反并二極管的方式來代替彌補反向?qū)妷捍蟮娜秉c，但是當頻率很高時，由于線路中的寄生電感，當反向電流流過時，外并的二極管無法立即導通，會產(chǎn)生額外的震蕩和損耗，所以這種方法對于頻率達到MHz級別的場合是不適用的。由于變換器的工作頻率很高，死區(qū)時間占一個周期的比重較大，再加上氮化鎵器件的高反向?qū)▔航?，死區(qū)時間內(nèi)的反向?qū)〒p耗會在總損耗中占到較大的比重。更為嚴重的是，隨著輸入電壓和輸出電流的變化，諧振狀態(tài)會發(fā)生變化，反向?qū)C制被觸發(fā)的時間會增長，反向?qū)〒p耗會變得更大。目前對于氮化鎵晶體管用作諧振變換器或者PWM軟開關(guān)變換器中工作在ZVS狀態(tài)下的控制管，業(yè)界還沒有減小由于保證ZVS實現(xiàn)引入的死區(qū)時間段所產(chǎn)生的反向?qū)〒p耗的方案出現(xiàn)。
[0006]如何安全可靠地驅(qū)動氮化鎵器件，并且盡可能地減小反向?qū)〒p耗，從而充分發(fā)揮其性能以提高系統(tǒng)的整體性能，是氮化鎵器件替代硅器件的道路上一個亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明的目的是:在頻率達到MHz以上情況下，針對上述現(xiàn)有氮化鎵驅(qū)動芯片和驅(qū)動方法的不足，設計出一款安全可靠并且能充分發(fā)揮氮化鎵性能的驅(qū)動，從而實現(xiàn)高效率的電能轉(zhuǎn)換的氮化鎵晶體管的驅(qū)動方法及電路。
[0008]與此相應，本發(fā)明的另一個目的是，在頻率達到MHz以上情況下，針對上述現(xiàn)有氮化鎵驅(qū)動芯片和驅(qū)動方法的不足，設計出一款安全可靠并且能充分發(fā)揮氮化鎵性能的驅(qū)動，從而實現(xiàn)高效率的電能轉(zhuǎn)換的反激變換器。
[0009]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0010]就方法而言，本發(fā)明提供了一種氮化鎵晶體管的驅(qū)動方法，包括如下步驟，在to時刻，提供第一電量，使氮化鎵晶體管的驅(qū)動電壓Vgs由負電壓上升為中間電平Vm，中間電平大于零且小于氮化鎵晶體管的開啟電壓；在to至tl階段，將氮化鎵晶體管的驅(qū)動電壓Vgs保持在中間電平Vm，為氮化鎵晶體管的開通提供預備狀態(tài)，用以減小在零電壓開通之前由于反向?qū)C制觸發(fā)而帶來的反向?qū)〒p耗；在tl時刻，提供第二電量，使氮化鎵晶體管的驅(qū)動電壓Vgs自t0時刻所建立的中間電平Vm上升至氮化鎵晶體管的開通驅(qū)動電壓，驅(qū)動氮化鎵晶體管開通；在tl至t2階段，將氮化鎵晶體管的驅(qū)動電壓Vgs保持在開通驅(qū)動電壓，以維持氮化鎵晶體管的導通狀態(tài)；在t2時刻，關(guān)斷第一電量、第二電量，并提供負壓電位，使氮化鎵晶體管的驅(qū)動電壓Vgs自開通驅(qū)動電壓降低至負電壓，以使氮化鎵晶體管快速可靠關(guān)斷；在t2至t3階段，將氮化鎵晶體管的驅(qū)動電壓Vgs保持在負壓電位，以維持氮化鎵晶體管的關(guān)斷狀態(tài)，用以防止由于開關(guān)管漏源兩端電壓的dv/dt造成的誤導通；在t3時刻，返回t0時刻的步驟。
[0011]作為本發(fā)明方法的改進，在所述氮化鎵晶體管的柵極增設可抑制驅(qū)動電壓Vgs的振蕩尖峰的阻尼。
[0012]就產(chǎn)品而言，本發(fā)明提供了一種氮化鎵晶體管的驅(qū)動電路，包括氮化鎵晶體管及驅(qū)動氮化鎵晶體管的驅(qū)動脈沖放大單元，還包括中間電平產(chǎn)生單元和負壓偏置單元，所述中間電平產(chǎn)生單元，在to時刻，提供第一電量，使氮化鎵晶體管的驅(qū)動電壓Vgs由負電壓上升為中間電平Vm，中間電平大于零且小于氮化鎵晶體管的開啟電壓；在切至tl階段，將氮化鎵晶體管的驅(qū)動電壓Vgs保持在中間電平Vm，以為氮化鎵晶體管的開通提供預備狀態(tài)；所述驅(qū)動脈沖放大單元，在tl時刻，提供第二電量，使氮化鎵晶體管的驅(qū)動電壓Vgs自tO時刻所建立的中間電平Vm上升至氮化鎵晶體管的開通驅(qū)動電壓，驅(qū)動氮化鎵晶體管開通；在tl至t2階段，將氮化鎵晶體管的驅(qū)動電壓Vgs保持在開通驅(qū)動電壓，以維持氮化鎵晶體管的導通狀態(tài)；所述負壓偏置單元，在t2時刻，在中間電平產(chǎn)生單元關(guān)斷第一電量、驅(qū)動脈沖放大單元關(guān)斷第二電量后，提供負壓電位，使氮化鎵晶體管的驅(qū)動電壓Vgs自開通驅(qū)動電壓降低至負電壓，以使氮化鎵晶體管快速可靠關(guān)斷；其中，驅(qū)動脈沖放大單元、中間電平產(chǎn)生單元和負壓偏置單元在t2至t3階段，將氮化鎵晶體管的驅(qū)動電壓Vgs保持在負壓電位，以維持氮化鎵晶體管的關(guān)斷狀態(tài)；在t3時刻，重復新的周期。
[0013]作為本發(fā)明電路的改進，所述氮化鎵晶體管的驅(qū)動電路還包括電阻Rgl和電阻Rg2，用作抑制驅(qū)動電壓Vgs的振蕩尖峰的阻尼，所述中間電平產(chǎn)生單元，由NPN型三極管和PNP型三極管構(gòu)成，所述NPN型三極管的集電極引出為第一供電端；NPN型三極管的基極與PNP型三極管的基極連接后引出為第一輸入端；NPN型三極管的發(fā)射極與PNP型三極管的發(fā)射極連接后引出為中間電平端；PNP型三極管的集電極引出為第一接地端；所述驅(qū)動脈沖放大單元，由P型MOS管和N型MOS管構(gòu)成，所述P型MOS管的源極引出為第二供電端；P型MOS管的柵極與N型MOS管的柵極連接后引出為第二輸入端；P型MOS管的漏極引出為開啟控制端；N型MOS管的漏極引出為關(guān)斷控制端；N型MOS管的源極引出為第二接地端；所述負壓偏置單元，包括穩(wěn)壓二極管Dz和并聯(lián)于穩(wěn)壓二極管Dz兩端的電容C i，所述穩(wěn)壓二極管Dz的陽極引出為第三接地端，穩(wěn)壓二極管Dz的陰極引出為第三輸入端；其中，中間電平產(chǎn)生單元的第一供電端接電源Vx，第一接地端接地，第一輸入端由第一控制信號CON驅(qū)動，中間電平端與驅(qū)動脈沖放大單元的第二接地端連接；驅(qū)動脈沖放大單元的第二供電端接電源Vcc，第二輸入端由第二控制信號OSC驅(qū)動，開啟控制端通過電阻Rgl與氮化鎵晶體管的柵極連接，關(guān)斷控制端通過電阻Rg2與氮化鎵晶體管的柵極連接，氮化鎵晶體管的源極與負壓偏置單元的第三輸入端連接，負壓偏置單元的第三接地端接地。
[0014]作為本發(fā)明電路的進一步改進，所述負壓偏置單元，還包括電阻Rz和并聯(lián)于電阻Rz兩端的電容C2，所述電阻Rz的一端與穩(wěn)壓二極管Dz的陰極連接，電阻1^的另一端引出為第三供電端；其中，第三供電端與驅(qū)動脈沖放大單元的第二供電端連接。
[0015]作為本發(fā)明電路的另一種改進，所述負壓偏置電路的連接位置，由氮化鎵晶體管的源極與地之間，換至氮化鎵晶體管的柵極，即所述負壓偏置單元的第三輸入端通過電阻Rgl與驅(qū)動脈沖放大單元的開啟控制端連接，第三輸入端還通過電阻Rg2與關(guān)斷控制端連接，第三接地端與氮化鎵晶體管的柵極連接，氮化鎵晶體管的源極接地。
[0016]作為本發(fā)明電路的進一步改進，所述第一控制信號CON和第二控制信號OSC為方波信號，第一控制信號CON和第二控制信號OSC的相位差可調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)中間電平產(chǎn)生單元與驅(qū)動脈沖放