本发明涉及电压箝位技术。更具体地说,本发明涉及一种栅极箝位电路,用于在向宽带隙器件的栅极施加负关断状态栅极电压时箝位栅极负脉冲,以抑制宽带隙器件栅极的电压过应力。
背景技术:
1、碳化硅(silicon carbide,sic)功率金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistors,mosfet)和氮化镓(gallium nitride,gan)高电子迁移率晶体管(high-electron-mobility transistor,hemt)等宽带隙(widebandgap,wbg)功率器件,与电压和电流额定值相近的传统硅基功率器件相比,可以在更高的频率和温度下工作,因此成为许多高效率和高功率密度转换器的首选器件。然而,要使宽带隙功率器件以适当的速度运行,寄生电感(尤其是栅极回路中的寄生电感)必须得到仔细管理。
2、第一,寄生电感会在开关瞬态期间阻碍栅极电流,从而减慢开关速度并增加开关损耗。第二,与栅极电容串联的寄生电感可能会引起栅极回路振荡,鉴于某些商用宽带隙功率器件的阈值电压相对较低,这可能会在开关过程中导致误导通。第三,当相邻器件开关时,寄生电感还可能导致处于关断状态的器件上出现相当大的正负栅极电压脉冲(也称为串扰)。由于主流宽带隙功率器件(尤其是sic mosfet)允许的最小栅极电压的限制(通常在-3至-10v之间),正栅极电压脉冲也可能导致误导通,而负栅极电压脉冲则可能对栅极造成过大电压应力。
3、抑制误导通的一种解决方案是使用具有米勒箝位功能的栅极驱动器,以抑制串扰引起的栅极脉冲。然而,米勒箝位方案无法解决寄生电感引起的另外两个问题,即开关速度降低和振荡引起的误导通。此外,在宽带隙功率器件快速开关瞬态期间,米勒箝位的性能可能会受到寄生电感的影响。
4、另一种解决方案是使用负关断状态栅极电压来关闭器件。负关断状态栅极电压在阈值电压以下留出了更宽的裕量,以适应串扰和振荡引起的栅极电压脉冲/振荡,从而抑制误导通。然而,从可靠性角度来看,尤其是当漏极-源极电压的下降沿叠加了串扰引起的栅极负脉冲的时候,负关断状态栅极电压可能会导致栅极偏置进入不安全范围,从而造成过大的栅极电压应力。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种用于驱动宽带隙器件的栅极箝位电路,在宽带隙器件高速开关下有效地箝位栅极负电压脉冲,从而在施加负关断状态栅极电压时,保护宽带隙器件的栅极免受过电压应力。
2、本发明的第一实施方式公开一种用于驱动宽带隙器件的栅极箝位电路。宽带隙器件可为具有栅极、漏极和源极的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistors,mosfet)。栅极箝位电路包括:半导体开关器件,具有高电平端与低电平端,所述高电平端与宽带隙器件的栅极相连,且所述低电平端与宽带隙器件的源极相连;箝位电阻器,其第一端与驱动芯片的负极电源端子相连,其第二端与所述半导体开关器件的控制端相连;以及箝位电容器,其第一端与所述箝位电阻器的第二端相连,其第二端与半导体开关器件的低电平端相连。其中,栅极箝位电路被配置为当施加负关断状态栅极电压时,箝位在宽带隙器件栅极处产生的负电压脉冲,以保护宽带隙器件的栅极免受过电压应力。
3、本发明的第二实施方式公开栅极箝位驱动电路用于驱动宽带隙器件。栅极箝位驱动电路,包括:驱动芯片,其至少具有驱动端子、负极电源端子、正极电源端子和接地参考端子;驱动电阻器,其第一端连接到驱动芯片的驱动端子,且其第二端连接到所述半导体开关器件的栅极;以及本发明第一实施方式中的栅极箝位电路。
4、在一个实施方式中,栅极箝位电路包括:半导体开关器件,具有高电平端与宽带隙器件的栅极相连,且低电平端与宽带隙器件的源极相连;箝位电阻器,其第一端与驱动芯片的负极电源端子相连,第二端与半导体开关器件的控制端相连;以及箝位电容器,其第一端与箝位电阻器的第二端相连,第二端与半导体开关器件的低电平端相连。
5、在一个实施方式中,所述半导体开关器件是高电子迁移率晶体管(high-electron-mobility transistor,hemt),其漏极为半导体开关器件的高电平端;源极为半导体开关器件的低电平端,栅极为半导体开关器件的控制端。
6、在一个实施方式中,所述高电子迁移率晶体管是氮化镓(gallium nitride,gan)高电子迁移率晶体管。
7、在一个实施方式中,所述氮化镓高电子迁移率晶体管是增强型氮化镓高电子迁移率晶体管。
8、在一个实施方式中,所述增强型氮化镓高电子迁移率晶体管的额定电压高于驱动所述宽带隙器件的通态栅极电压,例如,20v。
9、在一个实施方式中,增强型氮化镓高电子迁移率晶体管的额定电流高于串扰期间流经栅极驱动电路的电流,例如,0.1a。
10、在一个实施方式中,所述箝位电阻器的电阻值介于1ω至10000ω。
11、在一个实施方式中,所述箝位电容器的电容值等于或高于0.1nf。
12、在一个实施方式中,所述箝位电阻器和所述箝位电容器能够与增强型氮化镓高电子迁移率晶体管单片集成。
1.一种用于驱动宽带隙器件的栅极箝位电路,其特征在于,包括:
2.根据权利要求1所述的栅极箝位电路,其特征在于,所述半导体开关器件是高电子迁移率晶体管(high-electron-mobility-transistor,hemt),其具有漏极、源极和栅极,所述漏极是半导体开关器件的高电平端,所述源极是半导体开关器件的低电平端,所述栅极是半导体开关器件的控制端。
3.根据权利要求2所述的栅极箝位电路,其特征在于,所述高电子迁移率晶体管是氮化镓(gallium nitride,gan)高电子迁移率晶体管。
4.根据权利要求3所述的栅极箝位电路,其特征在于,所述氮化镓高电子迁移率晶体管是增强型氮化镓高电子迁移率晶体管。
5.根据权利要求4所述的栅极箝位电路,其特征在于,所述增强型氮化镓高电子迁移率晶体管的额定电压高于所述宽带隙器件的通态栅极电压。
6.根据权利要求4所述的栅极箝位电路,其特征在于,所述增强型氮化镓高电子迁移率晶体管的额定电流高于流经栅极驱动电路的电流。
7.根据权利要求1所述的栅极箝位电路,其特征在于,所述箝位电阻器的电阻值介于1ω至10000ω。
8.根据权利要求1所述的栅极箝位电路,其特征在于,所述箝位电容器的电容值等于或高于0.1nf。
9.一种用于驱动宽带隙器件的栅极箝位驱动电路,其特征在于,包括:
10.根据权利要求9所述的栅极箝位驱动电路,其特征在于,所述栅极箝位电路包括:
11.根据权利要求10所述的栅极箝位驱动电路,其特征在于,所述半导体开关器件是高电子迁移率晶体管(high-electron-mobility-transistor,hemt),具有漏极、源极和栅极,所述漏极是半导体开关器件的高电平端,所述源极是半导体开关器件的低电平端,以及所述栅极是半导体开关器件的控制端。
12.根据权利要求11所述的栅极箝位驱动电路,其特征在于,所述高电子迁移率晶体管是氮化镓高电子迁移率晶体管。
13.根据权利要求12所述的栅极箝位驱动电路,其特征在于,所述氮化镓高电子迁移率晶体管是增强型氮化镓高电子迁移率晶体管。
14.根据权利要求13所述的栅极箝位驱动电路,其特征在于,所述增强型氮化镓高电子迁移率晶体管的额定电压高于20v。
15.根据权利要求13所述的栅极箝位驱动电路,其特征在于,所述增强型氮化镓高电子迁移率晶体管的额定电流等于或高于0.1a。
16.根据权利要求9所述的栅极箝位驱动电路,其特征在于,所述箝位电阻器的电阻值介于1ω至10000ω。
17.根据权利要求9所述的栅极箝位驱动电路,其特征在于,所述箝位电容器的电容值等于或高于0.1nf。