高频高功率密度半桥栅驱动关键技术研究

摘要

在小型化、高能效的供电电源需求下，高频高功率密度功率转换方案逐渐成为研究和应用的热点，而第三代功率半导体GaN因可处理更高频率和更高能效的电源，近年来随着其功率器件可靠性的不断提升也开始逐渐商用。高频高功率密度半桥栅驱动因其决定着开关电源的工作频率上限、决定着功率级控制的可靠性、决定着系统的EMI性能成为了高频高功率密度功率转换方案的核心技术。 高频高功率密度半桥栅驱动的关键技术主要在于提升芯片CMTI性能（Common-Mode Transient Immunity，共模瞬变抗扰度）、降低栅驱动信号传输延迟（如采用高速电平位移电路）、实现稳定的功率器件开关性能（如采用可提供饱和、低纹波的高侧供电电压的自举充电电路）、有效控制功率级带来的EMI影响（如控制功率开关节点的电压/电流变化率）等方面。 这些关键技术可在汽车电子高频供电方案、数据中心大型服务器供电方案、通讯领域高压HPA漏端供电的包络跟踪方案等应用中得以体现。本文基于上述高频高功率密度应用的系统供电需求，提出了两种高速、高信号传输可靠性、高CMTI能力的电平位移电路，所述电路最大工作电压为80V，具有50V/ns的CMTI能力、传输延迟低于5ns、可在低至-3V的高侧DC参考地电压下实现轨到轨输出；提出了两种可监控高侧供电电压的自举充电电路，在最高5MHz开关频率、最低高侧驱动电路参考地为-3V DC电压、功率管栅电荷典型值为8nC的工作条件下，为功率级提供了饱和、低纹波的驱动电压，并设计第二浮动电源轨以保证电平位移电路对控制信号的高速、可靠传输。 所述电平位移电路及自举充电电路均为全集成方案，搭载TTL信号输入检测、芯片保护、功率级前级非对称推挽部分实现了三颗GaN功率开关器件栅驱动芯片，并给出ESD、Layout、PCB设计完成了系统级设计，满足系统一次电源电压VIN|max=75V、fSW|max=5MHz、典型功率转换为48V-12V、最大负载电流可达25A的GaN功率开关器件半桥栅驱动应用。驱动系统在0.35μm80V HVCMOS工艺（前道线宽为0.5μm）下实现了系统设计、仿真及流片测试验证。测试结果显示，栅驱动芯片传输延迟低于26ns，上下通道延迟匹配低于4ns，高侧供电电压较稳定，满足系统应用需求。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 高频高功率半桥栅驱动应用及研究现状

1.1.1汽车电子DC-DC PoL转换器

1.1.2 Data Center大型服务器供电方案

1.1.3 HPA漏端供电方案（Envelope Tracking）

1.2 论文的主要工作及结构安排

第二章 高频高功率密度半桥栅驱动关键技术

2.1 高频高功率密度应用下功率级对半桥栅驱动技术的影响

2.1.1 功率级对CMTI能力及对高侧供电电路的影响

2.1.2 功率级对功率开关节点电压的影响

2.2 电平位移电路及其控制策略

2.2.1 电平位移电路原理及其性能指标

2.2.2 电平位移电路类型及设计方法

2.2.3 电平位移电路控制策略

2.3Bootstrap电路中的Floating Bias Control技术

2.3.1 Bootstrap技术

2.3.2Floating Bias Control技术

2.4 本章小结

第三章 适用于高频高功率密度半桥栅驱动的电平位移电路设计

3.1高频高功率密度应用下电平位移电路的结构设计

3.2 旁路正反馈的高速电平位移电路设计

3.2.1 电路架构及原理

3.2.2 电路性能参数及仿真

3.3 带可控正反馈的电平位移电路设计

3.3.1 电路架构及原理

3.3.2 电路控制策略

3.3.3 电路分析与仿真

3.4 本章小结

第四章采用Floating Bias Control技术的Bootstrap电路设计

4.1高频高功率密度应用下Bootstrap电路的架构设计

4.1.1 自举充电通路双开关控制及其类型选择

4.1.2 双开关连接节点的CMTI设计

4.1.3 高频高密度应用下双电源轨架构的产生

4.2Floating Bias Control技术

4.2.1全周期电压检测的Active Clamp方案

4.2.2 带高速过零检测的双MOSFET控制方案

4.3 本章小结

第五章 高频高功率密度GaN栅驱动器设计

5.1芯片设计

5.1.1 芯片架构设计及技术参数

5.1.2 芯片ESD设计

5.1.3 芯片PCB布局及Layout设计

5.2 芯片仿真验证

5.3 芯片测试验证

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 结论

6.2 对片上EMI控制技术的探讨与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果