基于MOS管稳定驱动功率管的门级电路设计

邱永松

关键词：MOS管;GaN功率管;高稳定性;门级电路

0引言

随着集成电路和通信技术的进步与发展，特别是5G互联网时代的到来，对以GaN功率管为核心的电子电路也提出了更高的要求，GaN功率管具有高击穿电压和高开关频率，但其自身也存在一些缺陷，一是没有一个额定的雪崩电压值，二是损耗高以及高开关频率下EMI特性差的问题。基于此，提出一种基于通过MOS管，来设计GaN功率管的门级驱动控制电路，其中，通过电流驱动调节电路控制电流的变化率，以此控制GaN功率管的开启，进而改善GaN功率管的EMI性能;通过控制GaN功率管的导通驱动电压以及电容放电产生的栅极关断驱动电压，可精准控制功率管的导通或关断，进而避免误触发。本文基于MOS管设计的高稳定性门级驱动电路，不仅能解决GaN功率管自身所存在的性能问题，还能够提升功率管的可靠性和稳定性以及实现低损耗的目的。因此，基于MOS管设计的功率管门级驱动电路具有重要的实际应用意义。

1电路设计方案

1.1门级驱动电路

输入控制信号On一路经电流源驱动调节电路，其输出电流源iCp、iDrv与电容C120的两端相连，分别用节点a、b表示，且受输入信号On高低电平控制，信号为低电平时截止，高电平时导通并且其输出电流随vDrv变化而变化，同时，电压vCp高于电压vDrv。其中，节点6与采用2个背靠背串接的NMOS管即开关Q113的一端相连，并与由2个箝位二极管背靠背串联成的驱动电压钳位电路的一端并联，另一端接地，其钳位电压门限值设在功率管安全导通电压阈值内，功率管Q100的栅极接6点，漏极接负载101，源极接电流检测电路102。输入控制信号On另一路经反相器INV115后，与单NMOS管的栅极即开关Q111和关断延时电路112输入端并联，当输入控制信号为低电平时反相器输出为高电平，则Q111导通，反之则关断。其中，Q111的开关端接端点a点，另一端接地;输入输出相位同相的关断延时电路112与Q113的控制端栅极串联，其延时电路输出信号Offd在输入信号off上升时延时，下降时不延时，且延时时问只有数十纳秒;其Q113开关端接b点，另一开关端接地，同时，在Q113中安装2个反向寄生二极管，以避免Q113关断时自身构成电流回路。门级驱动电路原理图如图1所示。

1.2电流源驱动调节电路

输入信号经反相器NV1和PMOS管即P0的栅极并联后接人，NMOS管即N1的栅极接反相器的输出端，电容C1的一端与N1的源极相接后接地;N1的漏极、电容C1的另一端、NMOS管即N2的栅极并联后接电流源IBias1的输出端;电流源IBias1的输入端与PMOS型管的P0、P1、P2、P3的源极及Rup电阻的一端并联后接入VDD电源端;P0的漏极、P1的栅极与漏极、电阻Rup的另一端、P2的栅极和P3的栅极并联，N2的漏极接P1的漏极;Rdrv电阻的一端接N2的源极，P2的漏极接Rdrv电阻的另一端并作为电流源iDrv输出端;电流源iCp输出端为P3的漏极。实施方案：当输入On为低电平控制信号时，P0和N1导通，N2和P1、P2、P3同时关断无输出电流。当输入0n为高电平控制信号时，P0和N1关断，N2和P1、P2、P3同时导通输出iCp和iDrv电流源。其中，电流源iCp和iDrv的大小和变化率可以通过电阻Rdrv、P1、P2、P3和电流源lbiasl进行调节。电流源驱动调节电路原理图如图2所示。

2电路设计实施流程

当On输入低电平时，电流源iCp、iDrv则输出都为零，Q111和Q113导通，GaN功率管的驱动电压vDrv也为零，则Q100关断;当On输入由低变高电平时，反相器INV115和关断延时电路112则都输出低电平，Q111和Q113立即关断，此时两电流源分别给电容进行充电，vCp和vDrv电压则升高，输出电压vDrv也升高，当电压升高达到Q100所设的导通阈值时，功率管此时则导通。当电容继续充电，vCp、vDrv电压继续升高达到箝位电路所设的极限值时，将会被箝位电路箝位。为使GaN功率管发挥最大效能，通常将箝位驱动电压设在6 V左右，当vCp继续充电达到电流源驱动调节电路的端电压时，iCp电流则自动降为0，以满足导通时vCp电压高于vDrv的电压;当On输入由高变低电平时，此时，两路电流源都变为0，Q111导通，Q113保持关断，由于vCp高于vDrv电压且电容放电不能突变，同时Q111通过节点a把vCp放电至0，致使变成负电压的VDIW能快速关断GaN功率管;最后，经延时电路延时后，Q113也导通致使vDrv电压放电，电压为0，将GaN功率管关断。门级驱动控制信号时序图如图3所示。

3电路设计实施效果和意义

通过本电路的设计和实施效果可得知：基于MOS管设计的高稳定性门级驱动电路，通过电流驱动调节电路控制电流的变化率，从而控制GaN功率管的开启，进而改善GaN功率管的EMI性能;通过控制GaN功率管的导通驱动电压以及电容放电产生的栅极关断驱动电压，从而精准控制功率管的导通或关断，进而避免误触发。因此，通过只有多数载流子参与导电，导通时导通压降小（接近于OV），热稳定性更好的电压控制性器件MOS管来设计，对提升功率管的可靠性和稳定性以及实现低损耗的目的具有重要的意义。

4結束语

随着集成电路和通信技术的进步与发展，特别是5G互联网时代的到来，对以GaN功率管为核心的电子电路也提出了更高的要求，本文基于MOS管设计的GaN功率管的门级驱动控制电路不仅能解决GaN功率管自身所存在的性能问题，还能够提升功率管的可靠性和稳定性，以及实现低损耗的目的，因此，本设计电路具有重要的实际应用意义。