增强型GaN功率器件栅驱动电路设计

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功率电子领域正朝着高集成度、高能效比、高可靠性的方向发展,而当今在功率电子领域中应用最广泛的硅基(Silicon,Si)功率器件已不能完全满足未来功率电子系统更高功率密度的需求,为此人们把目光转向了有着卓越性能的增强型氮化镓(Gallium nitride,GaN)功率晶体管,但针对增强型GaN功率晶体管驱动技术的研究却没有跟上器件发展的速度,极大地限制了增强型GaN功率晶体管的应用,因此针对增强型GaN驱动技术的研究十分重要。本文通过研究增强型GaN功率晶体管的主要电学参数、开通过程,发现在工作过程中增强型GaN功率晶体管会出现非线性特性,并提出一种自适应多级电流驱动方案,在开启过程中的不同阶段输出不同的驱动电流,有效降低功率系统的dv/dt,提高了系统的可靠性。各个阶段的起点和终点在晶体管工作过程中不断修正,解决了增强型GaN半桥拓扑的非线性带来的问题,且避免了传统多级电流驱动方案中信号传输延时造成控制不及时的问题。本文采用CSMC 0.18μm BCD工艺对自适应多级电流驱动方案进行电路实现,提出了具有死区功能的输出级模块、dv/dt高速检测模块和时间采样保持模块。通过与增强型GaN功率晶体管进行联合仿真,验证了电路的可行性。最后对电路进行版图设计,版图面积为140×270μm2。后仿结果表明,电路实现了既定功能,环路反馈也避免了寄生对电路性能的影响,整体电路静态电流最大为89.39μA,最大dv/dt小于86.1V/ns,达到了设计指标要求。
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