氮化鎵柵極驅動(dòng)專(zhuān)利：RC負偏壓關(guān)斷技術(shù)之松下篇

松下與英飛凌曾共同研發(fā)了增強型GaN GIT功率器件，兩家公司都具有GaN GIT功率器件的產(chǎn)品。對于其柵極驅動(dòng)IC，如上期所介紹的，英飛凌對其GaN EiceDRIVER? IC已布局有核心專(zhuān)利；而松下在這一技術(shù)方向下也是申請了不少專(zhuān)利，其中就包括采用RC電路的負壓關(guān)斷方案。

松下與英飛凌曾共同研發(fā)了增強型GaN GIT功率器件，兩家公司都具有GaN GIT功率器件的產(chǎn)品。對于其柵極驅動(dòng)IC，如上期所介紹的，英飛凌對其GaN EiceDRIVER? IC已布局有核心專(zhuān)利；而松下在這一技術(shù)方向下也是申請了不少專(zhuān)利，其中就包括采用RC電路的負壓關(guān)斷方案。

通過(guò)檢索發(fā)現，松下早在2009年就在日本申請了一篇公開(kāi)號為JP2010051165A的專(zhuān)利，其中采用了如下圖所示的驅動(dòng)電路，該電路在晶體管的柵極設置有RC電路。專(zhuān)利中明確提到了該驅動(dòng)電路可用于氮化鎵或碳化硅等寬禁帶半導體開(kāi)關(guān)。雖然該專(zhuān)利最終并未能獲得授權，但也可以看到松下在這一領(lǐng)域的技術(shù)超前性。

圖1

接下來(lái)一起看看松下最近幾年在增強型氮化鎵晶體管的柵極驅動(dòng)器方面的三件專(zhuān)利技術(shù)，通過(guò)這三件專(zhuān)利來(lái)進(jìn)一步了解松下近年來(lái)在該技術(shù)方向下的研發(fā)動(dòng)態(tài)及關(guān)注重點(diǎn)。

專(zhuān)利1（CN111771322A）

首先介紹的這一件專(zhuān)利實(shí)際上是一個(gè)專(zhuān)利族，其中包括同族專(zhuān)利CN111771322A，US11398820B2，US11031935B2，EP3955442A1，EP3761491A4，WO2019167446A1，其最早優(yōu)先權日為2018年2月28日。以下通過(guò)中國同族專(zhuān)利CN111771322A來(lái)介紹其中的技術(shù)方案。

技術(shù)背景及問(wèn)題：

該專(zhuān)利主要針對的應用場(chǎng)景是帶有電感性負載的半橋電路，且具有通過(guò)負電壓來(lái)對開(kāi)關(guān)關(guān)斷的柵極驅動(dòng)。在這一應用場(chǎng)景下，當上下半橋的開(kāi)關(guān)在切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)的某一過(guò)程中，容易出現柵極關(guān)斷的負電壓過(guò)大的問(wèn)題，以及在電感負載續流時(shí)所造成的下半橋開(kāi)關(guān)誤導通的問(wèn)題。

解決技術(shù)手段：

如圖中所示，該專(zhuān)利主要改進(jìn)點(diǎn)在于每個(gè)柵極驅動(dòng)通道上所增加的兩個(gè)二極管。

圖2

其中，晶體管柵源極之間的二極管(27,37)主要為了防止負電壓過(guò)大，尤其是在帶有電感性負載的半橋電路中，當下半橋處于關(guān)斷，上半橋從導通變?yōu)殛P(guān)斷時(shí)，電感負載電流將從下半橋的晶體管續流。如下圖3中所示，由于二極管37的存在，將負電壓鉗位在VfD1的電平，避免了電感負載續流所帶來(lái)的過(guò)大的負偏壓。

圖3

而電容上所并聯(lián)的二極管(26,36)則是為了應對如下圖4中所示的情況，當下半橋處于關(guān)斷，上半橋從關(guān)斷變?yōu)閷〞r(shí)，上半橋將高電壓加載到下半橋晶體管的漏極，通過(guò)柵極-漏極間的寄生電容進(jìn)行放電，可能造成下半橋晶體管的Vgs正向偏置并大于閾值電壓，出現誤導通的問(wèn)題。通過(guò)電容上所并聯(lián)的二極管則可以將上述正向偏置電壓鉗位在VfD2的電平。

圖4

專(zhuān)利2（WO2022176268A1）

該專(zhuān)利的最早優(yōu)先權日為2021年2月22日，目前處于PCT階段，還未指定后續會(huì )進(jìn)入的國家。

技術(shù)背景及問(wèn)題：

該專(zhuān)利主要應用在高頻電源中，例如等離子體發(fā)生器等。在高頻電源中，反射波分量的一部分會(huì )從負載經(jīng)由高頻電源裝置內的開(kāi)關(guān)元件的漏極-柵極間的寄生電容Cdg在第1柵極中成為噪聲而出現。如果反射波分量大，則柵極的噪聲分量可能超過(guò)開(kāi)關(guān)元件的閾值電壓，使開(kāi)關(guān)元件誤導通。相反，在高頻電源和負載之間阻抗匹配的情況下，反射波分量小，噪聲分量也小，不易產(chǎn)生誤導通。

而該專(zhuān)利需要解決的問(wèn)題是如何同時(shí)實(shí)現低功耗和防止開(kāi)關(guān)的誤導通。

解決技術(shù)手段：

該專(zhuān)利在開(kāi)關(guān)柵源極之間加入了可根據系統狀態(tài)來(lái)啟動(dòng)或關(guān)閉的鉗位電路。系統狀態(tài)的檢測主要是通過(guò)前向波功率或反射波功率的大小來(lái)判斷高頻電源與負載之間的阻抗匹配大小。如下圖所示，在判斷高頻電源與負載阻抗匹配時(shí)，禁用鉗位電路101，使開(kāi)關(guān)Q1采用常規的負壓關(guān)斷，電容C1的電荷大部分被保持，從而降低功耗；而高頻電源與負載阻抗失配時(shí)，則啟用鉗位電路101，確保開(kāi)關(guān)Q1在關(guān)斷時(shí)的電壓被鉗位在零電平，從而防止誤導通。由此，該專(zhuān)利方案的柵極驅動(dòng)器可以同時(shí)實(shí)現低功耗和抑制誤導通。

圖5

專(zhuān)利3（WO2022180924A1）

該專(zhuān)利的最早優(yōu)先權日為2021年2月26日，與第二件專(zhuān)利相同，目前也處于PCT階段，還未指定后續會(huì )進(jìn)入的國家。

技術(shù)背景及問(wèn)題：

在高頻電源中，反射波容易在開(kāi)關(guān)元件的柵極產(chǎn)生噪聲而導致開(kāi)關(guān)誤導通，且噪聲的幅度會(huì )隨著(zhù)負載波動(dòng)而波動(dòng)。因此，現有技術(shù)中恒定的負偏壓關(guān)斷存在不能可靠地防止開(kāi)關(guān)誤導通的問(wèn)題。

解決技術(shù)手段：

該專(zhuān)利提供一種能夠生成可變的負電壓的柵極驅動(dòng)電路。如下圖所示，其中在開(kāi)關(guān)的柵源極之間加入了負電壓電路10，包括與脈沖變壓器2共用的第二次級繞組n3以及一個(gè)串聯(lián)的二極管D1。同時(shí)，采用振幅控制電路可變地控制輸入到脈沖變壓器2的驅動(dòng)脈沖信號的振幅，從而控制負電壓電路所產(chǎn)生的負偏壓。

圖6

小結

從技術(shù)問(wèn)題來(lái)看，以上三件專(zhuān)利都考慮了防止晶體管開(kāi)關(guān)誤導通的問(wèn)題。在此基礎上，專(zhuān)利1還考慮到了柵極負偏壓過(guò)大而造成開(kāi)關(guān)損壞的問(wèn)題，專(zhuān)利2和專(zhuān)利3則考慮了由負載反射的噪聲對柵極驅動(dòng)電壓所帶來(lái)的干擾問(wèn)題，此外，專(zhuān)利2還進(jìn)一步考慮了如何降低開(kāi)關(guān)功耗的問(wèn)題。

從應用場(chǎng)景來(lái)看，松下2021年布局的專(zhuān)利2和專(zhuān)利3都主要是在高頻電源方面，尤其是需要MHz量級開(kāi)關(guān)頻率的電源。不斷高頻化也正是目前氮化鎵這類(lèi)寬禁帶半導體的發(fā)展方向以及優(yōu)勢所在。顯然，松下已對其在高頻化氮化鎵驅動(dòng)IC產(chǎn)品或技術(shù)的研發(fā)過(guò)程中所涉及的問(wèn)題給出了相應的解決方案，并準備通過(guò)PCT專(zhuān)利在多國進(jìn)行專(zhuān)利布局。

（來(lái)源：第三代半導體產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰略聯(lián)盟）