技术摘要：
一种开启速率可控的GaN功率管栅驱动电路，包括内部电源产生模块、栅驱动模块、电荷泵模块、外挂电容和限流电阻，栅驱动模块根据外部控制信号控制GaN功率管栅极充放电；外挂电容通过限流电阻后连接栅驱动模块的供电端；内部电源产生模块包括由电荷泵模块控制的功率调整  全部
背景技术：
与传统的硅功率器件相比，GaN晶体管由于其较小的寄生电容和较高的电导率，成 为设计高频高功率密度的功率转换器的良好方案。但是随着芯片工作频率的不断提升，GaN 功率管在高压(600V)条件下进行快速的开关操作会给芯片引入较大的电流变化率di/dt和 电压变化率dv/dt，从而带来EMI(Electromaganetic  Interference)即电磁干扰的问题，严 重影响了汽车或消费电子等相关系统的工作性能。 传统驱动芯片通过使用与驱动器输出串联的合适电阻来限制充电电流，但是这不 是一种平衡效率的好方法，因为实际使用中并不总是需要小电流来给功率管的栅电容充 电。而且这种策略在SiP(System  in  Package,系统级封装)解决方案中也不是很灵活，因为 限流电阻固定在封装内部无法自由调节。如图1所示为传统的采用SiP封装形式的GaN栅驱 动芯片示意图，该封装可以将栅驱动电路和GaN功率管封装在同一个管壳内，从而很大程度 上减小了栅驱动输出到GaN功率管的走线长度，减小了寄生电感效应，进而加快芯片开启和 关断速度，减小开关损耗、振铃和芯片可靠性问题。但是栅驱动输出和GaN功率管栅极之间 的限流电阻将固定在封装内部，无法从外部改善功率管栅极充电速度以及优化EMI。另一方 面，对于具有分段控制的智能栅极驱动器，由于GaN器件的开启过程非常短(<10ns)，因此栅 极驱动器的有限响应速度使其难以及时改变功率管充电电流，需使用具有极高分辨率的高 频控制器，从而增加了芯片成本。 GaN功率管栅驱动的另一种策略是以密勒平台为采样信息进行充电控制，但是捕 获实际的密勒平台是比较困难的，因为它与负载电流有关，即需要采样保持电路。
技术实现要素：
针对上述GaN功率管快速进行开关切换使得在电路中产生高速的电平和电流变 化，导致EMI噪声的问题，以及传统GaN功率管栅驱动方案一采用SiP将栅驱动器和GaN功率 管混合封装使得限流电阻固定在封装内部无法自由调节和导致高成本、传统GaN功率管栅 驱动方案二难以获取实际密勒平台的不足之处，本发明提出一种开启速率可控的GaN功率 管栅驱动电路，采用分段控制功率GaN功率管栅极充电电流，通过控制密勒平台期间GaN功 率管栅极充电电流的大小降低GaN功率管的开启速度，从而减小GaN功率管开启过程中漏源 电压的变化速度，有效降低了GaN功率管高频开关状态切换时产生的EMI噪声。 本发明的技术方案为： 一种开启速率可控的GaN功率管栅驱动电路，所述GaN功率管栅驱动电路包括内部 电源产生模块、栅驱动模块、电荷泵模块、外挂电容和限流电阻， 所述栅驱动模块用于根据外部控制信号产生GaN功率管栅驱动信号控制所述GaN 4 CN 111555595 A 说　明　书 2/7 页 功率管栅极充放电； 所述限流电阻一端连接所述栅驱动模块的供电端，另一端通过所述外挂电容后接 地； 所述内部电源产生模块用于产生第一供电电源，所述内部电源产生模块包括由所 述电荷泵模块控制的功率调整管，当所述功率调整管导通时所述内部电源产生模块将所述 第一供电电源连接至所述栅驱动模块的供电端，由所述第一供电电源和所述外挂电容共同 为所述栅驱动模块供电，加快所述GaN功率管的栅极充电速率；当所述功率调整管断开时所 述内部电源产生模块将所述第一供电电源与所述栅驱动模块供电端的连接断开，仅由所述 外挂电容为所述栅驱动模块供电，降低所述GaN功率管的栅极充电速率； 所述电荷泵模块用于在所述GaN功率管导通前断开所述功率调整管，在所述GaN功 率管导通并经过设定的延时后将所述功率调整管导通，其中延时的设定根据所述限流电阻 的电阻值决定。 具体的，所述栅驱动模块用于将所述外部控制信号与欠压信号相与后获得栅驱动 控制信号，其中所述欠压信号用于在所述第一供电电源低于欠压阈值时控制所述GaN功率 管断开。 具体的，所述电荷泵模块包括短脉冲产生单元、第一级自举反相器单元、第二级自 举反相器单元和控制开关管， 所述短脉冲产生单元包括第一电容、第二电容、第一电阻、第二电阻和第一NMOS 管， 第一电容一端连接所述栅驱动控制信号，另一端作为所述短脉冲产生单元的输出 端连接第一NMOS管的漏极并通过第一电阻后接地； 第二电阻一端连接所述GaN功率管栅驱动信号，另一端连接第一NMOS管的栅极并 通过第二电容后接地； 第一NMOS管的源极接地； 所述第一级自举反相器单元包括第三电阻、第三电容、第二NMOS管、第三NMOS管、 第四NMOS管和第五NMOS管， 第五NMOS管的栅漏短接并连接第二供电电源，其源极连接第三电阻的一端和第三 电容的一端； 第二NMOS管的栅极连接第三NMOS管的栅极和所述短脉冲产生单元的输出端，其漏 极连接第四NMOS管的栅极和第三电阻的另一端，其源极连接第三NMOS管的源极并接地； 第四NMOS管的漏极连接所述第二供电电源，其源极连接第三电容的另一端和第三 NMOS管的漏极并作为所述第一级自举反相器单元的输出端； 所述第二级自举反相器单元包括第四电阻、第四电容、第六NMOS管、第七NMOS管、 第八NMOS管、第九NMOS管和第十NMOS管， 第六NMOS管的栅漏短接并连接所述第二供电电源，其源极连接第七NMOS管的源 极、第四电阻的一端和第四电容的一端； 第七NMOS管的栅极连接所述一级自举反相器单元中第四NMOS管的栅极，其漏极连 接所述第二供电电源； 第九NMOS管的栅极连接第十NMOS管的栅极和所述第一级自举反相器单元的输出 5 CN 111555595 A 说　明　书 3/7 页 端，其漏极连接第八NMOS管的栅极、所述控制开关管的栅极和第四电阻的另一端，其源极连 接第十NMOS管的源极并接地； 第八NMOS管的漏极连接所述控制开关管的源极，其源极连接第四电容的另一端和 第十NMOS管的漏极； 所述功率调整管为NMOS管，其漏极连接外部电源，其源极输出所述第一供电电源； 所述控制开关管的漏极连接所述功率调整管的栅极，其源极连接所述功率调整管的源极。 具体的，所述电荷泵模块由使能信号控制是否工作。 具体的，所述第二供电电源由所述内部电源产生模块产生。 具体的，所述栅驱动模块包括施密特触发器、与非门、第一反相器、逻辑单元、第一 PMOS管和第十一NMOS管， 施密特触发器的输入端连接所述外部控制信号，其输出端连接与非门的第一输入 端； 与非门的第二输入端连接所述欠压信号，其输出端连接第一反相器的输入端和所 述逻辑单元的输入端； 第一反相器的输出端输出所述栅驱动控制信号； 所述逻辑单元将与非门的输出端信号进行处理后用于驱动第一PMOS管和第十一 NMOS管的栅极； 第一PMOS管的源极连接所述栅驱动模块的供电端，其漏极连接第十一NMOS管的漏 极并输出所述GaN功率管栅驱动信号； 第十一NMOS管的源极接地。 本发明的工作原理为： 本发明利用电荷泵模块采样栅驱动模块中的控制信号获取GaN功率管的导通情 况，当GaN功率管开启之前将内部电源产生模块的功率调整管M1短路，断开了第一供电电源 VDD_dri与栅驱动模块供电端的连接，使内部电源产生模块失去为芯片供电的功能，这样GaN 功率管开启且密勒平台结束前，GaN功率管只能通过外挂电容COUT给其栅极充电，将外挂电 容COUT与栅驱动模块供电端之间加入限流电阻RC，限流电阻RC将控制GaN功率管上电速度。电 荷泵模块采样到GaN功率管栅压在达到阈值电压并经过设定的一段时间延时后，内部电源 产生模块的功率调整管M1重新接入，输出第一供电电源VDD_dri至栅驱动模块供电端，内部电 源产生模块恢复为芯片供电的功能，由第一供电电源VDD_dri和外挂电容COUT共同给GaN功率 管栅极充电，加速为GaN功率管充电至最终稳定状态。 本发明的有益效果为：本发明提出一种新型分段驱动方式，通过设置RC延时来模 拟GaN功率管密勒平台的结束点，密勒平台结束前由外挂电容COUT通过限流电阻RC为GaN功 率管栅极充电，限流电阻RC一方面可以限制功率管栅极充电速度，防止大电流对GaN功率管 栅极造成很大的应力，提高栅驱动的可靠性，另一方面能够减慢GaN功率管开启速度来减小 快速电压和电流的变化；同时本发明在退出密勒平台后以一股大电流给GaN功率管栅极充 电以快速完全开启GaN功率管，能够在牺牲一定的开启速度的基础上，有效的降低高压GaN 功率管在开启过程中产生的较大的dv/dt和di/dt，从而降低芯片的EMI噪声。 6 CN 111555595 A 说　明　书 4/7 页 附图说明 图1为传统的采用SiP封装形式的GaN栅驱动芯片示意图。 图2为本发明提出的一种开启速率可控的GaN功率管栅驱动电路的架构图。 图3为本发明提出的一种开启速率可控的GaN功率管栅驱动电路中电荷泵模块在 实施例中的一种实现电路图。 图4为本发明提出的一种开启速率可控的GaN功率管栅驱动电路在GaN功率管开启 过程中dv/dt与限流电阻的关系示意图。