【摘 要】
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随着汽车电子、数据中心等电力电子产品市场的日益发展,高效率、高功率密度、高可靠性、高速和轻量化已经成为功率集成电路的主要发展趋势。GaN功率半导体在高频、高效、高温工作等方面的优越性能以及由此带来的高功率密度特性是GaN与主流Si基功率半导体和Si C、Ga O等新兴功率半导体相比的竞争优势所在,而最大限度发挥GaN功率器件的高效、高速性能优势是GaN能够获得更广泛应用并取得竞争优势的关键。在Ga
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随着汽车电子、数据中心等电力电子产品市场的日益发展,高效率、高功率密度、高可靠性、高速和轻量化已经成为功率集成电路的主要发展趋势。GaN功率半导体在高频、高效、高温工作等方面的优越性能以及由此带来的高功率密度特性是GaN与主流Si基功率半导体和Si C、Ga O等新兴功率半导体相比的竞争优势所在,而最大限度发挥GaN功率器件的高效、高速性能优势是GaN能够获得更广泛应用并取得竞争优势的关键。在GaN应用层面,相较于传统GaN分立器件方案,GaN单片功率集成技术通过将GaN功率器件、驱动与保护电路、控制电路等集成到同一芯片上来大幅降低多芯片互联带来的寄生效应,是GaN功率半导体最大限度发挥其性能优势的理想技术方案。目前GaN单片集成驱动技术方案的核心问题主要在于对GaN功率器件的瞬态及稳态驱动能力、驱动外围控制电路设计及对GaN功率器件的异常状态的保护能力等,本文针对上述核心问题基于p-GaN栅增强型硅基GaN单片集成平台提出了高驱动能力、高可靠性GaN功率器件驱动电路设计方案。驱动电路主要包含驱动输出级,PWM电路,过温保护、过流保护和欠压保护电路,具体内容如下:（1）提出具有死区时间控制功能的栅驱动模块,通过自举充电技术使驱动模块具备1.2A充电电流和3.35A放电电流的大电流驱动能力,可以保证GaN器件的高频开关特性;（2）提出的PWM模块可实现驱动内部频率和占空比的灵活调控,同时作为控制电路制定驱动保护策略,此外,片内集成PWM模块将省去片外专用PWM芯片,降低设计成本;（3）提出的过流保护模块基于Sense HEMT串联电阻进行无损电流采样,通过开关电容比较技术进行低压信号比较,实现了10ns低过流响应时间,并提供保护模式选择功能;（4）基于GaN功率器件内集成温度电阻提出的过温保护模块,实现了150℃触发的过温保护,迟滞窗口为25℃,首次实现对GaN器件单片集成过温保护电路的设计,保证GaN器件不会因高温过度退化甚至失效;（5）提出欠压锁定模块,可以提供4.75V的工作电压解锁点,迟滞窗口为0.3V,确保芯片内各模块正常工作电压。以上所述功能模块基于建立的高精度ASM-HEMT GaN Spice模型进行电路功能仿真与验证,仿真结果表明各模块设计满足GaN功率器件驱动需求。
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