混合功率级和栅极驱动电路的制作方法

1.本发明涉及一种半导体功率开关设备，例如使用半桥和全桥开关拓扑的功率级，还涉及用于半导体功率开关设备的驱动电路。


背景技术：

2.例如，可以使用硅(si)技术、碳化硅(sic)技术或氮化镓(gan)技术来实现功率级，例如半桥或全桥开关拓扑。用于电力应用的硅igbt技术，即使用硅绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)和硅反并联二极管，已经成熟，并以低成本提供可靠的性能。宽带隙(wide bandgap，wbg)半导体技术，如sic和gan技术提供了性能优势，如更高的效率、更高的开关频率和更低的损耗，但大大增加了成本。
3.r.allan于2017年7月27日在《电力电子》杂志上发表了一篇题为“sic和gan对igbt：争夺霸权的拉锯战(sic and gan vs.igbts:the imminent tug of war for supremacy)”的文章，简要概述了gan hemt和sic mosfet对si igbt的好处。电力应用的电压范围很广，从低压，例如消费性电子产品和电源的100v到300v；中压，例如，用于ev/hev牵引逆变器、pv逆变器、电机控制器和ups等应用的650v至1200v；以及1700v以上的高压，用于智能电网、风力发电和大规模运输(如铁路和航运)等应用。因此，si、sic和gan技术很可能继续共存，并为不同的汽车、工业、消费和其它电力应用提供补充解决方案。
4.使用gan半导体技术(包括用于高侧和低侧开关的gan功率晶体管)实现半桥和全桥开关拓扑在许多应用中提供了性能优势，但相对于si和sic技术成本更高。需要更具成本效益的功率级，利用gan功率晶体管的开关性能。


技术实现要素：

5.本发明寻求提供一种混合功率开关级和驱动电路。
6.本发明的第一方面提供了一种功率半导体开关设备，包括：以半桥配置连接的高侧开关和低侧开关，其中高侧开关包括至少一个gan功率晶体管，低侧开关包括至少一个si mosfet；
7.mosfet半桥栅极驱动，包括高侧驱动器和低侧驱动器；
8.所述低侧驱动器的栅极驱动输出通过包括栅极电阻器的第一栅极驱动电路连接到所述至少一个si mosfet的栅极，以提供用于驱动所述至少一个si mosfet的第一电压范围的栅极驱动；
9.所述高侧驱动器的栅极驱动输出通过包括栅极电阻器和电平移位电路的第二栅极驱动电路连接到所述至少一个gan功率晶体管的栅极，以提供用于驱动所述至少一个gan功率晶体管的第二电压范围的栅极驱动。
10.例如，栅极驱动提供用于驱动si-mosfet的栅极的第一电压范围，且用于驱动gan-hemt的第二电压范围被电平移位以提供正导通栅极电压和负关断栅极电压。
11.例如，栅极驱动可以是标准的12v mosfet栅极驱动，其中用于驱动si-mosfet的第
一电压范围为0-12v，并且用于驱动gan-hemt的第二电压范围从0-12v电平偏移，以为gan-hemt提供正导通栅极电压和负关断栅极电压。例如，用于驱动gan-hemt的第二电压范围可以从0-12v电平移位到-6v到 6v的范围。
12.电平移位电路可包括与电阻器并联的电容器(其串联连接在栅极电阻器和gan功率晶体管的栅极之间)和钳位电路(例如，包括第一和第二二极管)，连接在功率晶体管的栅极和gan功率晶体管的源极之间，用于钳制正导通栅极电压和负关断栅极电压。
13.本发明的第二方面提供了一种用于驱动功率半导体开关设备的栅极驱动，所述功率半导体开关设备包括以半桥配置连接的高侧开关和低侧开关，其中高侧开关包括gan功率晶体管，低侧开关包括si mosfet，栅极驱动包括：mosfet半桥驱动器，包括高侧驱动器和低侧驱动器；所述低侧驱动器的栅极驱动输出通过包括第一栅极电阻器的第一栅极驱动电路连接到所述si mosfet的栅极，以提供用于驱动所述si mosfet的第一电压范围的栅极驱动电压输出；所述高侧驱动器的栅极驱动输出通过包括第二栅极电阻器和电平移位电路的第二栅极驱动电路连接到gan功率晶体管的栅极，以提供用于驱动所述gan功率晶体管的第二电压范围的栅极驱动电压。
14.例如，栅极驱动提供用于驱动si-mosfet的栅极的第一电压范围，并且用于驱动gan-hemt的第二电压范围被电平移位以提供正导通栅极电压和负关断栅极电压。
15.因此，示例性实施例的半导体功率开关设备包括混合功率开关级(包括gan高侧开关和si-mosfet低侧开关)以及用于混合功率开关级的驱动电路，例如半桥和全桥开关拓扑。公开了包括所述半导体功率开关设备和驱动电路的功率开关级，其寻求提供增强的性能和较低的成本中的至少一个。
附图说明
16.图1示出了包括实施例的混合si-gan半桥和驱动电路的混合功率级的电路示意图；
17.图2示出了包括图1所示实施例的电平移位电路的示例栅极驱动电路；
18.图3示出了具有图2的栅极驱动电路的组件值的表，所述组件值被选择用于驱动示例gan-hemt；
19.图4和5示出了图2的栅极驱动电路的示例波形；
20.图6示出了示例四相半桥功率级每相电感电流随时间变化的示例图；
21.图7示出了开关能量损耗eon和eoff作为示例性实施例的包括混合si-gan半桥和驱动电路的混合功率级的漏极电流id的函数的曲线图；
22.图8示出了一个数据表，用于比较功率级的性能，功率级包括gan半桥、混合si-gan半桥和si半桥，开关频率为50khz、100khz和200khz。
23.通过以下结合附图对本发明的一些实施例的详细描述，本发明的前述和其它特征、方面和优点将变得更加明显，所述描述仅作为示例。
具体实施方式
24.图1中示出了包括混合si-gan半桥和驱动电路的功率级的电路示意图。半桥的高侧开关1(hss)包括gan功率晶体管，例如gan hemt，低侧开关2(lss)包括si mosfet。在半桥的两个开关中，高侧开关用于硬开关，低侧开关用于软开关。因此，在本设计中，gan hemt用于硬开关，si mosfet用于软开关。由于用于驱动gan-hemt和si-mosfet的栅极电压vgs要求不同，因此栅极驱动电路100被配置为从单个电源(例如12v电源)为每个gan-hemt和si-mosfet提供合适的栅极驱动信号。
25.栅极驱动电路100包括半桥驱动器102，其可以是标准12v mosfet驱动器。栅极驱动可与驱动器控制器集成。低侧驱动器lo的输出通过包括第一栅极电阻器108(r
g2
)的栅极驱动电路连接到si-mosfet的栅极，以提供基于电源电压v
dd
的第一栅极电压范围内的栅极驱动电压，例如0到12v。高侧驱动器ho的输出通过包括第二栅极电阻器106(r
g1
)和电平移位电路104的栅极驱动电路连接。例如，如图所示，电平移位电路可包括gan系统ezdrive
tm
电路，所述电路包括连接在栅极电阻器r
g1
和gan hemt的栅极之间的带有并联电阻器r
dd1
的电容器c
dd
，以及钳位电路，例如包括齐纳二极管z
dd1
和二极管d
dd1
，用于钳制导通和关断栅极驱动电压。ezdrive电路提供驱动电压电平转换。例如，当负栅极电压用于关闭gan hemt时，通过适当选择ezdrive电路的组件，gan hemt所需的栅极驱动电压(例如-6v至 6v)可通过从0-12v电源电压的电压电平偏移产生。低侧驱动电路通过栅极电阻器r
g2
为si mosfet提供例如0v至12v的栅极驱动电压，即无电平偏移。图2示出了用于驱动gan-hemt的具有电平移位104的栅极驱动电路的放大图。图3示出了用于驱动gan-hemt的一些示例分量值，且图4和5示出了示例波形。
26.所述栅极驱动电路使得标准mosfet驱动器能够提供用于驱动si-mosfet的第一电压范围的低侧栅极驱动，以及用于驱动gan功率晶体管的第二电压范围的高侧栅极驱动。例如，用于驱动si-mosfet的第一电压范围是从0v到v
dd
的范围，并且用于驱动gan-hemt的第二电压范围被电平移位以提供正导通栅极电压和负关断栅极电压。
27.仅作为示例，给出了用于si-gan混合半桥的四相半桥的测试结果，其中高侧开关包括gan系统gs61008p gan hemt，低侧开关包括infineon optimos
tm
5 si mosfet。gs61008p gan hemt的导通电阻r
on
为7mω。选择1.2mωsi mosfet作为低侧开关。这些设备的额定电压为100v。例如，对于50khz、100khz和200khz的开关频率，四相半桥的总功率为3.5kw，输入电压vin为48v，输出电压vo为13.6v，电感为6μh。图6示出了一个相位的电感器电流作为50khz开关频率的时间函数的示例波形。
28.图7示出了在v
ds
＝50v、r
gon
＝4.7ω且r
goff
＝1ω的测试条件下，由gs61008t gan hemt和optimos bsc070n10ns5 si mosfet组成的si gan混合半桥的开启开关能量损耗和关闭开关能量损耗的示例测试结果。导通电阻r
dson
为7mω的gan hemt与具有相同导通电阻的si mosfet相比，具有约三分之一的开关能量e
on
和e
off
。与2.1mωgan hemt相比，7mωgan hemt的开关能量大约小10倍。
29.将si-gan混合半桥的测试结果与高侧和低侧开关使用gs61008p gan hemt的纯gan实现以及高侧和低侧开关(2.1mω和1.2mω)使用optimos5 si mosfet的纯si实现的测试结果进行比较。图8中的表中示出了一些示例测试数据，以比较在50khz、100khz和200khz的不同开关频率下，si-gan混合半桥与纯gan和纯si实现的性能。这些结果表明，si-gan混
合解决方案结合了si和gan的优点，在以下方面提供了最佳性能：每个开关频率下的总损耗。相对于纯gan实现，纯si实现具有更高的开关和关断开关能量e
on
和e
off
，但传导损耗显著更低。si-gan混合解决方案的e
off
为0.86w，e
on
为2.23w，传导损耗为12.02w。
30.对于所述100v混合si-gan半桥应用，证明100v optimos si-mosfet的反向恢复是可接受的，并且使用si-mosfet进行自由转动不会显著降低gan hemt的性能。使用si-mosfet进行自由转动大大降低了包括半桥和全桥开关拓扑的功率级的系统成本。
31.尽管gan-hemt和si-mosfet具有不同的驱动电压vgs要求，但是公开了一种低成本驱动电路，其使用单个电源(例如0到12v)来产生所需的栅极驱动电压，所述栅极驱动电压具有gan-hemt的正导通电压和负关断电压(例如gan-hemt的-6v到 6v)以及常规的约si mosfet的0到12v栅极驱动。
32.所述栅极驱动电路适用于功率开关设备，其中高侧开关包括gan功率晶体管，低侧开关包括si mosfet，例如半桥和全桥功率开关级，其提供改进的性能和更低的成本中的至少一个。低侧开关可包括多个si mosfet并联连接的mosfet。高侧开关可包括并联连接的多个gan功率晶体管。
33.尽管已经详细描述和说明了本发明的实施例，但是应清楚地理解，本发明的实施例仅通过说明和示例而非限制，本发明的范围仅受到所附权利要求书的限制。