一种全氮化镓集成二级关断过流保护电路

1.本发明属于功率半导体集成技术领域，具体涉及一种全氮化镓集成二级关断过流保护电路。


背景技术：

2.增强型氮化镓高电子迁移率晶体管(gan e-hemt)由于gan层和algan层之间异质结面产生的二位电子气(2deg)具有高的电荷密度和迁移率，因此可以实现相对较高的效率和开关频率。同时，gan材料相对于si具有更低的介电常数，更高的临界击穿电场，更高的热导率等材料优势，在电源转换效率、体积、稳定性上具有更大的优势。如今，gan hemt已经应用于开关电源、电动汽车、快速充电器、航空航天领域中的驱动电机、光伏逆变器等。
3.过流事件是电力系统中比较常见的故障事件，不合理的保护策略会带来功率器件性能退化、系统故障以及严重的安全问题。当发生过流事件时，需要通过过流保护电路有效关断功率器件。相比于si器件，gan功率hemt工作时会传导更高的电流密度，更容易受到过流事件的影响。一般gan hemt短路耐受时间低至400ns，这要求短路保护的响应时间要低于400ns。因此gan电源系统对过流保护的要求要比si更为严格。
4.对于gan过流保护电路，目前有两种技术方案：一种是如图1所示的基于si器件的分立过流保护方案，采样了二级关断的保护思想，使用si基芯片可以实现较为复杂的逻辑信号处理；一种是如图2所示全氮化镓集成过流保护方案，采用的是直接硬关断方式。但上述两种方案存在以下问题：
5.1、对于基于si基分立式保护方案：由于钳位采用两个电阻分压，其钳位电压在不同的驱动电压下稳定性较差；由于第二阶段硬关断仍然采用将pwm信号置低的方法，其第二阶段硬关断的di/dt不可调，仍然可能带来较大的电压过冲；由于分立式方案存在较大的寄生参数，对逻辑信号的干净性和响应速度都会造成较大程度的影响，无法充分发挥gan功率器件的性能优势，也无法为gan过流事件提供快速的响应速度；由于采用si基双通道隔离驱动芯片，因此该方案难以直接应用到全氮化镓集成电路中。
6.2、对于全gan集成过流保护方案：当检测到过流事件发生后，经过逻辑电路处理后，将pwm信号直接置为低电平，从而实现对功率器件的快速关断。但由于功率器件环路存在的寄生电感l
stray
，功率器件快速关断引起极高的di/dt，从而在器件漏源两端产生极大的过冲电压，从而可能导致功率器件击穿。


技术实现要素：

7.本发明的目的提出一种全gan集成二级关断过流保护电路，通过p-gan增强型hemt(e-hemt)和mis耗尽型hemt(d-hemt)实现各逻辑电路和功能模块，进而实现全gan集成的二级关断过流保护电路设计，从而避免在过流事件发生时，快速关断gan功率器件引起的漏源电压过冲带来的器件击穿问题。本发明所提出的结构具有以下特点：
8.1.二级关断过程中每一阶段关断过程都可控。
9.2.安全性高，可以有效降低器件过流关断时的过冲电压。
10.3.钳位电路在不同的驱动条件下具有更高的稳定性。
11.4.工艺兼容性高，该发明所用的所有器件均基于较为成熟的p型栅增强型集成工艺平台。
12.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
13.一种全氮化镓集成二级关断过流保护电路，其特征在于：包括一个消隐电路1，一个延迟电路2，一个耐压及检测电路3，一个判断电路4，一个可调可控钳位电路5，一个硬关断泄流电路6六个功能子电路，其中，可调可控钳位电路5和硬关断泄流电路6共同构成二级关断电路。
14.所述二级关断电路中的第七d-hemt管的漏端与消隐电路中第四e-hemt的栅端将与外部的驱动信号连接，作为所提二级关断过流保护电路的驱动信号输入端；所述耐压及检测电路中的第六e-hemt管的漏端将与目标gan功率hemt器件的漏端连接，作为所提二级关断过流保护电路的检测端；所述二级关断电路中的栅源短接的第九e-hemt管与第十一e-hemt管的漏端将与目标gan功率hemt器件的栅端连接，作为所提二级关断过流保护电路的输出端。
15.在所提二级关断过流保护电路内部，所述消隐电路中的反相器输出端与所述耐压及检测电路中的第六e-hemt管的栅端连接；所述耐压及检测电路中的第六e-hemt管的源端与所述判断电路中的第二e-hemt管的栅端连接；所述判断电路中的反相器输出端与所述延迟电路中的第七e-hemt管的栅端连接；所述延迟电路中的反相器输出端与所述硬关断泄流电路中的第十一e-hemt管的栅端连接。
16.优选的，消隐电路1由第五d-hemt管和第四e-hemt管、第六d-hemt管和第五e-hemt管构成的两个e/d反相器和电容c2构成，延迟电路2和消隐电路1具有相同的结构。
17.优选的，耐压及检测电路3由第六e-hemt管和一个大电阻r构成，且第六e-hemt管应为高耐压器件。为了保证足够的检测精确度，应保证第六e-hemt管工作时处于线性区。
18.优选的，判断电路4由第二、三、四d-hemt管和第二、三e-hemt管构成的gan基自举比较器和第一e-hemt管和第一d-hemt管构成的e/d反相器构成，其中自举比较器的v
ref
端接过流事件的阈值电压。
19.优选的，二级关断电路由第七d-hemt管和第九、十e-hemt管构成的可调可控钳位电路5和第十一e-hemt管构成的硬关断泄流电路6构成。其中，栅源短接的第七d-hemt管与栅漏短接的第九e-hemt管连接，第九e-hemt管的漏端与第十e-hemt管的源端连接。
20.进一步的，所有功能子电路的供电电源均接vdd。
21.本发明的有益效果在于：
22.1、有效抑制gan功率hemt在过流关断时可能产生的漏源端电压过冲。二级关断的思想在于：当检测到过流事件发生时，首先将gan功率器件的栅极驱动电压钳位到4-5v，通过增大功率器件的导通电阻降低功率器件电流能力，从而使gan功率器件的生存能力大幅提升，争取更多的保护响应时间；然后开启第二阶段的硬关断泄流电路，由于第一阶段降低了功率器件回路中的电流能力，且第二阶段的泄流速度将会受到硬关断电路和延时电路的共同调制，因此在第二阶段的硬关断过程中，所引起的功率器件两端漏源电压过冲会显著减小。因此原本gan功率器件关断时的极高的漏源电压过冲将会分为两个幅度较小的过冲
尖峰。
23.2、可调可控钳位电路在不同驱动条件下的高稳定性。通过栅漏短接的d-hemt器件与栅源短接的e-hemt串联，可以实现预定钳位电压更少的受到不同驱动电压的影响。
24.3、全gan集成电路工艺的兼容性。在所提发明电路中，p-gan增强型氮化镓器件，mis结构耗尽型氮化镓器件，2deg电阻，平板电容均基于目前工艺较为成熟的p型栅增强型集成工艺平台，因此整体方案具有兼容全gan集成电路工艺较高的可行性。
附图说明
25.图1为现有基于si基分立器件二级关断过流保护电路示意图；
26.图2为现有基于全gan集成硬关断过流保护电路示意图；
27.图3为本发明提出的一种全gan集成二级关断过流保护电路功能框图示意图；
28.图4为本发明提出的一种全gan集成二级关断过流保护电路结构示意图；
29.图5为本发明提出的应用于硬开关故障测试下，全gan集成二级关断过流保护电路的输出示意图；
30.图6为本发明提出的全gan集成二级关断过流保护电路和常规硬关断过流保护电路，功率器件漏源两端过冲电压特性对比图。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明的方案进行进一步描述。
32.请参阅图3，本发明提供的一种技术方案：
33.一种全氮化镓集成二级关断过流保护电路，包括消隐电路、延迟电路，耐压及检测电路，判断电路，可调可控钳位电路、硬关断泄流电路。
34.消隐电路、延迟电路：结构相同，用于实现对功率器件开启时栅极震荡的屏蔽，以及对过流信号的延时。
35.耐压及检测电路：当功率器件关闭时，用于过流保护逻辑电路与母线电压之间的高压隔离；当功率器件工作时，用于实时监测功率器件漏端电压，作为过流事件发生依据。
36.判断电路：用于检测电压与预设过流阈值电压的比较和判断。
37.可调可控钳位电路：用于实现可控且可调节的钳位电压。
38.硬关断泄流电路：与延时电路一起用于实现可控的第二阶段硬关断过程。
39.整体的，所述二级关断电路中的第七d-hemt管的漏端与消隐电路中第四e-hemt的栅端将与外部的驱动信号连接，作为所提二级关断过流保护电路的驱动信号输入端；所述耐压及检测电路中的第六e-hemt管的漏端将与目标gan功率hemt器件的漏端连接，作为所提二级关断过流保护电路的检测端；所述二级关断电路中的栅源短接的第九e-hemt管与第十一e-hemt管的漏端将与目标gan功率hemt器件的栅端连接，作为所提二级关断过流保护电路的输出端。在所提二级关断过流保护电路内部，所述消隐电路中的反相器输出端与所述耐压及检测电路中的第六e-hemt管的栅端连接；所述耐压及检测电路中的第六e-hemt管的源端与所述判断电路中的第二e-hemt管的栅端连接；所述判断电路中的反相器输出端与所述延迟电路中的第七e-hemt管的栅端连接；所述延迟电路中的反相器输出端与所述硬关断泄流电路中的第十一e-hemt管的栅端连接。
40.其功能描述为：当驱动输入端为低电平信号时，消隐电路保持低电平输出，将耐压及检测电路保持为耐压模式，所提各功能子电路为工作禁止状态；当驱动输入端为高电平信号时，消隐电路在对栅信号震荡进行一定时间的消隐后，将耐压及检测电路的工作模式切换到检测，从而耐压及检测电路将会给判断电路实时监测目标gan功率器件的漏端电压状况。当gan功率hemt工作在正常状态时，判断电路将保持二级关断电路的工作禁止状态；当gan功率hemt发生过流时，判断电路将会驱动二级关断电路响应，从而实现对gan功率hemt的二级关断。
41.工作原理：
42.请参阅图4，介绍本技术全氮化镓集成二级关断过流保护电路的一具体实施方式。
43.当驱动输入端输入信号为低电平时，消隐电路被禁止，因此电容c2端保持低电平，从而使检测模块的输出端保持为低电平，从而判断电路输出信号保持为低电平，因此可调可控钳位模块被禁止工作，延时电路和硬关断电路同样也被禁止工作。
44.当驱动输入端输入信号为高电平时，高电平驱动信号驱动消隐模块两个反相器，使vdd经栅源短接的第六d-hemt管对电容c2充电，经过t
blank
的延迟时间，使高耐压第六e-hemt管完全开启，检测模块的输出端v
sense
开始与gan功率器件的漏端电压变化保持一致。其中，t
blank
和v
sense
应满足如下关系式1和关系式2：
[0045][0046][0047]
进一步的，一般选取r取值2kω，且当第六e-hemt管工作在线性区时，有如下关系式3：
[0048]vsense
≈v
d_power
关系式3
[0049]
当v
sense
《v
ref
，即检测电压没有超过预设的过流阈值电压时，经过判断电路中比较器比较和反相器的反相后，判断电路输出端仍然保持低电平输出，即仍然可调可控钳位电路，以及延时电路、硬关断泄流电路，保证正常情况下gan功率器件能正常被驱动信号驱动。
[0050]
当v
sense
》v
ref
，即检测电压超过预设的过流阈值电压时，经过判断电路中比较器比较和反相器的反相后，判断电路输出端将从低电平翻转为高电平，表示过流事件发生。在高判断信号的驱动下，可调可控钳位电路的第二输入端和延时电路的输入端被立即开启，将驱动信号立即钳位，钳位电压v
clamp
和延时电路的延时时间t
delay
分别满足如下关系式4和关系式5：
[0051][0052][0053]
即硬关断泄流电路将会在t
dealy
时间后完全开启。
[0054]
进一步的，由于硬关断泄流电路依靠e11完全开启时的导通电阻实现快速关断，因此在设计时候要求第十一e-hemt管的导通电阻的值应较小。同时，第十一e-hemt管的导通
电阻将会从v
c1
》v
the11
时随着延迟时间指数增大，因此通过调整延时时间t
delay
和第十一e-hemt管的面积，可以实现对第二阶段硬关断过冲电压的进一步调节。
[0055]
公式中，v
th
为各器件的阈值，area为各器件栅宽与栅长之比，β为各器件的电流能力。
[0056]
综上，本发明完成了全氮化镓集成二级关断过流保护过程的原理说明，可以根据实际需要，通过调整各个器件的面积即宽长比，来调整钳位电压v
clamp
及各延时时间t
delay
、消隐时间t
blank
。
[0057]
请参阅图5，通过advanced design system(ads)对上述全gan集成二级关断过流保护电路的输出结果进行了仿真。由输出端结果可见，在过流事件发生时，7v的驱动电压首先被钳位到4.7v，经过20ns的延迟时间后，开启第二阶段的关断过程，验证了二级关断的思想。具体的，请参阅图6，450v母线电压时，在同一硬开关故障下，比较了所提方案与常规硬关断方案gan功率hemt漏源端过冲电压的对比图，由图可见，常规硬关断方案最大过冲电压达到了781v，而所提全gan集成二级关断过流保护电路最大过冲电压仅为503v，对电压过程进行了有效的抑制，可以实现快速安全的保护关断过程。