一种GaN兼容驱动电路
阅读说明：本技术 一种GaN兼容驱动电路 (GaN compatible drive circuit ) 是由 林家飞 薄文钊 尹位扬 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种GaN兼容驱动电路,属于半导体器件技术领域,包括驱动芯片IC、MOS驱动模块和GaN驱动兼容模块,驱动芯片IC的驱动端与MOS驱动模块的输入端相连,GaN驱动兼容模块包括限压单元,加速单元和分压单元,所述限压单元的输入端和MOS驱动模块的输出端连接,限压单元的输出端和分压单元的输入端、N型场效应管的栅极连接,所述分压单元的输出端和N型场效应管的源极、驱动芯片IC连接,所述加速单元和限压单元并联。本申请具有可兼容驱动GaN和硅基MOSFET的效果。(The application discloses compatible drive circuit of gaN belongs to semiconductor device technical field, including driver chip IC, MOS drive module and the compatible module of gaN drive, driver chip IC's drive end links to each other with MOS drive module's input, and the compatible module of gaN drive includes the voltage limiting unit, accelerating unit and bleeder unit, the input of voltage limiting unit and MOS drive module's output are connected, and the output of voltage limiting unit and the input of bleeder unit, the grid connection of N type field effect transistor, the output of bleeder unit and N type field effect transistor's source electrode, driver chip IC connect, accelerating unit and voltage limiting unit are parallelly connected. The method has the effect of compatibly driving the GaN MOSFET and the silicon-based MOSFET.)
技术领域
本申请涉及半导体器件技术领域，尤其是涉及一种GaN兼容驱动电路。
背景技术
氮化镓（GaN）功率器件在高开关速度和高功率密度应用场合得到了快速发展，GaN比传统的硅基MOSFET有更低的开通电阻和栅极电荷，尤其是工作在高开关频率下，在串联结构的GaN器件中应用，促使它的驱动性能要求更苛刻，传统的驱动MOSFET的线路已不能驱动没有集成驱动的GaN器件，为了解决这个问题，目前常用的是采用专用的GaN驱动芯片或采用内部集成有驱动模块的GaN功率器件来适应市面流通的传统芯片驱动电平，传统芯片应用受到限制。
发明内容
为了能兼容驱动氮化镓和硅基MOSFET，本申请提供一种GaN兼容驱动电路。
本申请提供的一种GaN兼容驱动电路，采用如下的技术方案：
一种GaN兼容驱动电路，包括驱动芯片IC、MOS驱动模块和GaN驱动兼容模块，驱动芯片IC的驱动端与MOS驱动模块的输入端相连，GaN驱动兼容模块包括限压单元，加速单元和分压单元，所述限压单元的输入端和MOS驱动模块的输出端连接，限压单元的输出端和分压单元的输入端、N型场效应管的栅极连接，所述分压单元的输出端和N型场效应管的源极、驱动芯片IC连接，所述加速单元和限压单元并联。
通过采用上述技术方案，驱动芯片IC的驱动端输出高电平时，即驱动电压，驱动电压经过MOS驱动模块、限压单元和分压单元，使驱动电压下降到适合GaN的驱动电压，而硅基MOSFET的驱动电压的范围较大，下降后的驱动电压依然能驱动硅基MOSFET，进而使传统芯片能兼容驱动GaN和硅基MOSFET。同时，加速单元能加快GaN或硅基MOSFET的启动。
优选的，所述限压单元采用限压电阻，所述分压单元采用分压电阻，其中，驱动芯片IC的驱动端输出高电平时的电压为Vg，则：
Vg=（1+Rc/Rg）×（6~7）
式中：Rc为限压单元的总电阻，Rg为分压单元的总电阻。
通过采用上述技术方案，得到合理的Rc/Rg的比值范围，使驱动电平能更稳定、更合适地驱动GaN。
优选的，所述Rc的阻值采用5.1kΩ-7.5kΩ，所述Rg的阻值采用10kΩ。
通过采用上述技术方案，Rc的阻值为5.1kΩ-7.5kΩ，Rg的阻值为10kΩ，驱动芯片IC输出合适的电压和电流驱动GaN，同时，GaN的开关速度更快，损耗更少，以及可减少电磁辐射。
优选的，所述加速单元采用加速电容Cb。
通过采用上述技术方案，驱动芯片IC的驱动端输出高电平时，给加速电容Cb充电，加速电容Cb所在的电路有电流，且刚开始充电的电流较大，阻碍小，使GaN能加速导通；驱动芯片IC的驱动端输出低电平时，加速电容Cb放电，在GaN的栅极形成负压，使GaN能加速截止，并且减少关断后误开通的情况。
优选的，所述加速单元的电容容量采用330pF-1nF。
通过采用上述技术方案，加速单元的电容容量为330pF-1nF，使加速单元有良好的响应速度，GaN的开关速度更快，以及能提供可靠的负压，提高驱动的可靠性。
优选的，所述GaN驱动兼容模块还包括稳压管ZD，所述稳压管ZD的阴极和限压单元的输出端、分压单元的输入端、N型场效应管的栅极连接，稳压管ZD的阳极和分压单元的输出端、N型场效应管的源极连接。
通过采用上述技术方案，稳压管ZD可对电压进行钳位，使GaN栅极的电压稳定，在分压单元出现损坏时，依然能驱动GaN，进一步提高电压的稳定性，起到双重保险的作用。
优选的，所述稳压管ZD的稳压值为6.2V。
通过采用上述技术方案，使驱动电平能更稳定、更合适地驱动GaN。
优选的，所述MOS驱动模块包括第一电阻Ra、二极管D1和第二电阻Rb，所述第一电阻Ra的一端和驱动芯片IC的驱动端连接，第一电阻Ra的另一端和二极管D1的阴极连接，所述二极管D1的阳极和限压单元的输入端、加速单元连接，所述第二电阻Rb的一端和第一电阻Ra、驱动芯片IC的驱动端连接，第二电阻Rb的另一端和二极管D1的阳极、限压单元的输入端、加速单元连接。
通过采用上述技术方案，第二电阻Rb为驱动电阻，第一电阻Ra、二极管D1起到防静电作用，减少静电对场效应管的影响。
优选的，所述第一电阻Ra的阻值采用200Ω-510Ω，所述第二电阻Rb的阻值采用5Ω-33Ω。
通过采用上述技术方案，第一电阻Ra的阻值为200Ω-510Ω，第二电阻Rb的为采用5Ω-33Ω，使GaN的开关速度更快，损耗更少，以及可减少电磁辐射。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.实现了GaN和硅基MOSFET驱动的结合兼容，采用常规基础的元件实现了传统芯片也能驱动GaN的实际应用，方便硅基MOSFET与GaN间的兼容替代使用；
2.不需要专用的GaN驱动芯片，避免受到GaN驱动芯片的限制，更加灵活，产品迭代便利竞争力强，可靠性高，器件选型简单，成本低廉。
附图说明
图1是本申请实施例1中一种GaN兼容驱动电路的电路图；
图2是本申请实施例2中一种GaN兼容驱动电路的电路图；
图3是本申请实施例3中一种GaN兼容驱动电路的电路图。
附图标记说明：
1、MOS驱动模块；2、GaN驱动兼容模块；21、限压单元；22、加速单元；23、分压单元。
具体实施方式
以下结合附图1-3对本申请作进一步详细说明。
GaN器件的栅极驱动电压范围非常窄，一般可持续工作的电压幅值范围是-4V/+7V,推荐的驱动电压幅值在5.5V-6.5V左右，而硅基MOSFET工作电压远超20V。一般芯片是有MOS管的门电路，该门电路也是限制在10V左右的驱动电压幅值，故，传统芯片的驱动电平一般为10V左右，这促使驱动GaN线路要优先考虑工作电压范围，同时也要考虑开关速度。其中，GaN和硅基MOSFET驱动电平差异如下表：
器件类型
驱动类型
Vth开启电压
驱动电压幅值
Si mosfet
电压型
2V-4V
5V-20V
GaN
电压型
1V-2V
6V
本申请实施例公开一种GaN兼容驱动电路。
实施例1
参照图1，GaN兼容驱动电路包括驱动芯片IC、MOS驱动模块1和GaN驱动兼容模块2，驱动芯片IC的驱动端与MOS驱动模块1的输入端相连，GaN驱动兼容模块2包括限压单元21，加速单元22和分压单元23，限压单元21的输入端和MOS驱动模块1的输出端连接，限压单元21的输出端和分压单元23的输入端、N型场效应管的栅极连接，分压单元23的输出端和N型场效应管的源极、驱动芯片IC连接，加速单元22和限压单元21并联。
在本实施例中，MOS驱动模块1包括第一电阻Ra、二极管D1和第二电阻Rb，第一电阻Ra的一端和驱动芯片IC的驱动端连接，第一电阻Ra的另一端和二极管D1的阴极连接，二极管D1的阳极和限压单元21的输入端、加速单元22连接，所述第二电阻Rb的一端和第一电阻Ra、驱动芯片IC的驱动端连接，第二电阻Rb的另一端和二极管D1的阳极、限压单元21的输入端、加速单元22连接。
为了提高场效应管的开关速度，以及减少损耗，在本实施例中，第一电阻Ra的阻值采用200Ω，第二电阻Rb的阻值采用5Ω。在其他一些实施例中，第一电阻Ra的阻值也可以采用510Ω，第二电阻Rb的阻值也可以采用33Ω。
在本实施例中，限压单元21采用限压电阻，分压单元23采用分压电阻，其中，驱动芯片IC的驱动端输出高电平时的电压为Vg，则：
Vg=（1+Rc/Rg）×（6~7）
式中：Rc为限压单元21的总电阻，Rg为分压单元23的总电阻。
在本实施例中，限压电阻的数量为一个，限压电阻的一端和第二电阻Rb、二极管D1的阳极连接，限压电阻的另一端和N型场效应管的栅极连接，限压电阻的阻值采用5.1kΩ。分压电阻的数量为一个，分压电阻的一端和限压电阻、N型场效应管的栅极连接，分压电阻的另一端和限压电阻、N型场效应管的源极、驱动芯片IC连接，分压电阻的阻值采用10kΩ。在其他一些实施例中，限压电阻的阻值可以采用7.5kΩ，分压电阻的阻值采用10kΩ；限压电阻的阻值还可以采用10kΩ，分压电阻的阻值还可以采用19.6kΩ。
为了提高场效应管的开关速度，以及提供可靠的负压，在本实施例中，加速单元22采用加速电容Cb，加速电容Cb的数量为一个，加速电容Cb和限压电阻并联，加速电容Cb的容量采用330pF。在其他一些实施例中，加速电容Cb的容量也可以采用1nF。
驱动芯片IC的驱动端输出高电平时，给加速电容Cb充电，加速电容Cb所在的电路有电流，且刚开始充电的电流较大，阻碍小，使GaN能加速导通；驱动芯片IC的驱动端输出低电平时，加速电容Cb放电，在GaN的栅极形成负压，使GaN能加速截止。
为了提高电压的稳定性，在本实施例中，GaN驱动兼容模块2还可以包括稳压管ZD，稳压管ZD的阴极和限压单元21的输出端、分压单元23的输入端、N型场效应管的栅极连接，稳压管ZD的阳极和分压单元23的输出端、N型场效应管的源极连接。其中，稳压管ZD的稳压值为6.2V。
稳压管ZD可对电压进行钳位，使场效应管栅极的电压稳定，在分压单元23出现损坏时，驱动芯片IC依然能驱动GaN。
实施例1的实施原理为：以GaN为例：驱动芯片IC的驱动端（即图中芯片IC的Driver端）输出高电平时，以驱动GaN开通，其中一驱动电流的路径从Rb→Cb//Rc→Rg//ZD→R0→GND，加速电容Cb充电，GaN的栅极获得电压6.2V驱动电压导通。
驱动芯片IC的驱动端变为低电平时，加速电容Cb放电，驱动电流的路径从Cb→D1→Ra→Driver→GND→R0→ZD，在GaN的栅极形成持续负压，GaN关断。
硅基MOSFET的栅极驱动电压范围较大，一般为5V-20V左右，故，6.2V的驱动电压也能驱动硅基MOSFET，使驱动芯片IC能兼容驱动硅基MOSFET和GaN。
实施例2
参照图2，本实施例与实施例1的不同之处在于，限压电阻的数量为多个，多个限压电阻串联或并联。
实施例3
参照图3，本实施例与实施例1的不同之处在于，加速电容Cb的数量为多个，多个加速电容Cb并联。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
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