【摘 要】
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第三代半导体氮化镓(GaN)因其可以实现更高的开关频率和更高效的电源,近几年迅速发展,被逐步应用于各个领域。增强型GaN器件与Si基器件相比具有更低的导通电阻,更快的开关频率,对其栅极驱动的性能提出更高的要求,因此研究增强型GaN功率器件栅极驱动芯片的意义重大。增强型GaN功率器件由于高的饱和速度特性,使其经常用于高频场合。但是在设计基于GaN的高频驱动电路的时候,需要着重解决三大问题:1)在设计
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第三代半导体氮化镓(GaN)因其可以实现更高的开关频率和更高效的电源,近几年迅速发展,被逐步应用于各个领域。增强型GaN器件与Si基器件相比具有更低的导通电阻,更快的开关频率,对其栅极驱动的性能提出更高的要求,因此研究增强型GaN功率器件栅极驱动芯片的意义重大。增强型GaN功率器件由于高的饱和速度特性,使其经常用于高频场合。但是在设计基于GaN的高频驱动电路的时候,需要着重解决三大问题:1)在设计采用半桥式结构的增强型GaN功率器件的栅驱动芯片时共模瞬态抗扰度(CMTI)能力不够理想,是因为在其快速开关过程中会产生很大的dv/dt;2)传输延时大以及匹配性差;3)在快速开关过程中,结点处会产生负压等问题。本文设计了一款增强型GaN功率器件的驱动芯片,对输入信号进行检测、限幅,去掉芯片外部带来的毛刺等因素的影响。设计了多条电源轨用于驱动芯片内部正常运行。针对dv/dt问题,在设计电平位移电路时,本文提出了同时采用旁路正、负反馈电路的方法进一步提高CMTI能力;针对传输延时和匹配问题,使用输入检测电路将输入信号限幅到1.8 V,使低侧信号传输通道中同样可以设计一个和高侧信号传输通道相似的电平位移电路,设计的高低两侧相似的信号传输通道提高匹配性,在芯片内尽量采用低压器件减小RC延时,同时设计了短脉冲控制的高速电平位移电路,减小传输延时的同时降低功耗。针对负压问题,在高侧通道,本文提出在避开死区时间内充电的基础上,采用负压检测电路,双重确保结点处摆脱负压,同时本文将充电管用NMOS替代PMOS,提高充电电流,防止充电不足现象;在低侧负压发生时,本文提出采用正负电源生成电路,产生-3 V电压用于关断低侧增强型GaN功率器件,同时生成用于高侧自举电路开启充电管的电压。本文设计的芯片设置了保护电路,提高驱动芯片的可靠性。本文基于0.18μm 40 V BCD工艺,对设计的驱动芯片电路进行设计和仿真验证,同时进行了版图规划和后仿验证。本文设计的驱动芯片的传输延时在10 ns左右,并且高低两侧通道的传输延时小于4 ns,驱动芯片的CMTI能力超过30 V/ns,输入驱动信号峰值14 V,开关频率达到1 MHz以上,电源轨稳定建立,驱动芯片输出信号稳定。
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