【摘 要】
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随着GaN技术的不断成熟,其应用领域也逐渐从100V以下低压、小功率系统拓展到400V以上的高压、大功率、高功率密度系统。高压GaN器件的物理特性优势使得其将成为取代传统超结MOSFET的高压电源转换系统解决方案。然而,传统高压Si功率器件驱动电路无法充分匹配高压GaN器件的性能优势,低压GaN驱动电路及系统方案在高压下也不适用。因此,设计高可靠性、高压、高性能GaN驱动系统成为当前高压GaN技术
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随着GaN技术的不断成熟,其应用领域也逐渐从100V以下低压、小功率系统拓展到400V以上的高压、大功率、高功率密度系统。高压GaN器件的物理特性优势使得其将成为取代传统超结MOSFET的高压电源转换系统解决方案。然而,传统高压Si功率器件驱动电路无法充分匹配高压GaN器件的性能优势,低压GaN驱动电路及系统方案在高压下也不适用。因此,设计高可靠性、高压、高性能GaN驱动系统成为当前高压GaN技术发展的关键。驱动电路的设计往往由功率器件的物理机理直接决定。本文对E-mode(Enhancement Mode,增强型)、D-mode(Depletion Mode,耗尽型)、Cascode(级联型)三种高压GaN器件的物理机理进行了深入探究,并分析归纳了当前学术界和产业界对三种器件的驱动策略和各自的优势及设计挑战。综合考虑器件FOM值、高dv/dt抗扰能力、栅极电压范围、Slew-rate调控性、器件可靠性等因素,选取耗尽型GaN作为功率器件,以直接栅驱动的驱动策略对本文高压驱动系统进行设计。针对低压GaN驱动系统在高压应用下的不足,本文首先对高压GaN驱动系统提出优化和改进措施,深入分析了基于容耦隔离和磁耦隔离的隔离驱动技术,总结归纳了两种隔离方案的信号传输方式,并在系统级层面完成了高压半桥隔离驱动系统架构的设计。针对高功率GaN电源转换器的热管理,探究了表贴封装底部冷却和顶部冷却方案设计。基于耗尽型GaN器件直接栅驱动策略的系统需求,本文提出一种负压直接栅驱动(Negative Directly Gate-drive)技术,设计了一款单通道600V功率级集成式驱动芯片。为了实现高可靠性片内全集成高效供电,设计过流限功能的低压差线性稳压器(Low Dropout Regulator,LDO);针对耗尽型GaN负阈值电压特性,设计片上负输出电压Buck-Boost(Inverting Buck-Boost)提供负的栅驱动关断电平;针对耗尽型GaN开关机理,基于栅驱动斜率控制(Adjustable Drive-slope Control)技术设计耗尽型GaN分段驱动电路;针对上电阶段的系统可靠性,设计级联使能MOS(Enable MOS)保护方案。上述电路设计方案均基于0.35μm 60V BCD工艺进行设计,在双脉冲测试及半桥驱动方案下完成对芯片的整仿验证。仿真结果表明,基于本文方案设计的芯片在400V输入电压、1MHz开关频率下性能指标均符合预期。
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