GaN功率器件的负压驱动电路研究与设计

摘要

功率集成电路因其集成度高、功耗低等优点，广泛地应用在功率电子系统中。耗尽型氮化镓(Gallium Nitride，GaN)功率器件具有开关速度快、击穿电压高等优点，能够满足系统高频化、高可靠性的需求，将会逐渐替代功率电子系统中的功率器件。但是传统的功率驱动电路因传输延时大、输出电压范围与耗尽型GaN功率器件的栅极驱动不匹配，不能直接驱动耗尽型GaN功率器件。在此背景下，基于耗尽型GaN功率器件的负压驱动电路设计成为一项具有重要意义的研究。
　　本论文介绍了耗尽型GaN功率器件的特点及其栅极驱动电路设计的要求，深入分析了传统负压驱动电路中负压产生的原理以及负压电平移位电路的延时，指出了传统负压驱动电路的多电源供电、输出电压范围与耗尽型GaN功率器件栅极驱动不匹配以及负压电平移位电路延时大三大技术难点。在此背景下，本论文设计了一种基于耗尽型GaN功率器件的可集成单电源低延时负压驱动电路。通过电荷泵电路的原理产生负压，解决了传统负压驱动电路双电源供电以及输出电压范围与耗尽型GaN功率器件栅极驱动不匹配两个问题，达到单电源供电以及输出电压范围与耗尽型GaN功率器件栅极驱动电压幅值要求匹配的效果;采用输入信号并行传输的方法解决了传统负压电平移位电路延时较大的问题，达到信号低延时传输的效果。
　　本论文设计的基于耗尽型GaN功率器件的可集成单电源低延时负压驱动电路采用0.25μm BCD工艺进行版图设计并流片。测试结果表明，本论文设计的负压驱动电路只需要单个12V电源供电，驱动电路输出电压范围为-7V～0V，输出驱动电流为50mA，信号传输延时只有5.3ns，比传统负压驱动电路延时降低35％，因此本论文设计的可集成单电源低延时负压驱动电路性能良好，达到预期设计目标。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 论文背景和意义

1．1．1 功率集成电路简介

1．1．2 GaN功率器件驱动电路的研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外负压驱动电路的研究现状

1．2．2 国内外负压驱动电路的发展趋势

1．3 研究内容与设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 本文论文组织

第二章 GaN功率器件及其栅极驱动电路概述

2．1．1 GaN功率器件的特性

2．1．2 GaN功率器件的寄生模型

2．1．3 耗尽型GaN功率器件的主要参数

2．2 GaN功率器件栅极驱动电路设计概述

2．2．1 GaN功率器件驱动电路构成

2．2．2 GaN功率器件驱动电路设计要求

2．3 本章小结

第三章 传统负压驱动技术分析

3．1 GaN功率器件栅极驱动电路工作原理分析

3．2 典型负压驱动技术分析

3．2．1 自举式负压驱动技术

3．2．2 全桥控制式负压驱动技术

3．2．3 齐纳管浮动电源负压驱动技术

3．2．4 双电源负压驱动技术

3．3 负压驱动电路中电平移位电路分析

3．3．1 反馈型负压电平移位电路

3．3．2 V-I-V负压电平移位电路

3．3．3 低功耗负压电平移位电路

3．4 传统的GaN功率器件负压驱动电路存在的问题

3．5 本章小结

第四章 GaN功率器件的负压驱动电路设计

4．1 单电源低延时负压驱动电路架构与负压产生原理

4．1．1 单电源低延时负压驱动电路架构

4．1．2 负压产生原理

4．2 可集成单电源负压产生电路设计

4．2．1 可集成单电源负压产生器设计

4．2．2 基准电路设计

4．2．3 电压差放大器设计

4．2．4 压控振荡器设计

4．2．5 非交叠时钟产生电路设计

4．2．6 负压产生电路的参数设计

4．2．7 可集成单电源负压产生整体电路仿真

4．3 低延时负压电平移位电路设计

4．3．1 低延时负压电平移位电路原理

4．3．2 低延时负压电平移位电路设计与仿真

4．3．3 电平移位电路中输出缓冲级电路设计与仿真

4．4 单电源低延时负压驱动整体电路仿真

4．4．1 信号传输延时仿真

4．4．2 静态电流仿真

4．4．3 负压输出仿真

4．4．4 仿真结果分析

4．5 本章小结

第五章 版图设计与测试

5．1 工艺简介

5．2 版图设计

5．2．1 版图设计注意事项

5．2．2 电路版图

5．3 负压驱动电路测试

5．3．1 负压输出测试

5．3．2 信号传输延时测试

5．3．3 输出驱动电流测试

5．3．4 静态电流测试

5．3．5 测试结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

硕士期间取得成果