氮化鎵柵極驅(qū)動(dòng)專利：RC負(fù)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(qiáng)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(duì)于其柵極驅(qū)動(dòng)IC，如上期所介紹的，英飛凌對(duì)其GaN EiceDRIVER? IC已布局有核心專利；而松下在這一技術(shù)方向下也是申請(qǐng)了不少專利，其中就包括采用RC電路的負(fù)壓關(guān)斷方案。

松下與英飛凌曾共同研發(fā)了增強(qiáng)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(duì)于其柵極驅(qū)動(dòng)IC，如上期所介紹的，英飛凌對(duì)其GaN EiceDRIVER? IC已布局有核心專利；而松下在這一技術(shù)方向下也是申請(qǐng)了不少專利，其中就包括采用RC電路的負(fù)壓關(guān)斷方案。

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

圖1

接下來一起看看松下最近幾年在增強(qiáng)型氮化鎵晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)器方面的三件專利技術(shù)，通過這三件專利來進(jìn)一步了解松下近年來在該技術(shù)方向下的研發(fā)動(dòng)態(tài)及關(guān)注重點(diǎn)。

專利1（CN111771322A）

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

技術(shù)背景及問題：

該專利主要針對(duì)的應(yīng)用場(chǎng)景是帶有電感性負(fù)載的半橋電路，且具有通過負(fù)電壓來對(duì)開關(guān)關(guān)斷的柵極驅(qū)動(dòng)。在這一應(yīng)用場(chǎng)景下，當(dāng)上下半橋的開關(guān)在切換開關(guān)狀態(tài)的某一過程中，容易出現(xiàn)柵極關(guān)斷的負(fù)電壓過大的問題，以及在電感負(fù)載續(xù)流時(shí)所造成的下半橋開關(guān)誤導(dǎo)通的問題。

解決技術(shù)手段：

如圖中所示，該專利主要改進(jìn)點(diǎn)在于每個(gè)柵極驅(qū)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(fù)電壓過大，尤其是在帶有電感性負(fù)載的半橋電路中，當(dāng)下半橋處于關(guān)斷，上半橋從導(dǎo)通變?yōu)殛P(guān)斷時(shí)，電感負(fù)載電流將從下半橋的晶體管續(xù)流。如下圖3中所示，由于二極管37的存在，將負(fù)電壓鉗位在VfD1的電平，避免了電感負(fù)載續(xù)流所帶來的過大的負(fù)偏壓。

圖3

而電容上所并聯(lián)的二極管(26,36)則是為了應(yīng)對(duì)如下圖4中所示的情況，當(dāng)下半橋處于關(guān)斷，上半橋從關(guān)斷變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)，上半橋?qū)⒏唠妷杭虞d到下半橋晶體管的漏極，通過柵極-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(xiàn)誤導(dǎo)通的問題。通過電容上所并聯(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

專利2（WO2022176268A1）

該專利的最早優(yōu)先權(quán)日為2021年2月22日，目前處于PCT階段，還未指定后續(xù)會(huì)進(jìn)入的國(guó)家。

技術(shù)背景及問題：

該專利主要應(yīng)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(fù)載經(jīng)由高頻電源裝置內(nèi)的開關(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(xiàn)。如果反射波分量大，則柵極的噪聲分量可能超過開關(guān)元件的閾值電壓，使開關(guān)元件誤導(dǎo)通。相反，在高頻電源和負(fù)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(dǎo)通。

而該專利需要解決的問題是如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗和防止開關(guān)的誤導(dǎo)通。

解決技術(shù)手段：

該專利在開關(guān)柵源極之間加入了可根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)來啟動(dòng)或關(guān)閉的鉗位電路。系統(tǒng)狀態(tài)的檢測(cè)主要是通過前向波功率或反射波功率的大小來判斷高頻電源與負(fù)載之間的阻抗匹配大小。如下圖所示，在判斷高頻電源與負(fù)載阻抗匹配時(shí)，禁用鉗位電路101，使開關(guān)Q1采用常規(guī)的負(fù)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(fù)載阻抗失配時(shí)，則啟用鉗位電路101，確保開關(guān)Q1在關(guān)斷時(shí)的電壓被鉗位在零電平，從而防止誤導(dǎo)通。由此，該專利方案的柵極驅(qū)動(dòng)器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低功耗和抑制誤導(dǎo)通。

圖5

專利3（WO2022180924A1）

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

技術(shù)背景及問題：

在高頻電源中，反射波容易在開關(guān)元件的柵極產(chǎn)生噪聲而導(dǎo)致開關(guān)誤導(dǎo)通，且噪聲的幅度會(huì)隨著負(fù)載波動(dòng)而波動(dòng)。因此，現(xiàn)有技術(shù)中恒定的負(fù)偏壓關(guān)斷存在不能可靠地防止開關(guān)誤導(dǎo)通的問題。

解決技術(shù)手段：

該專利提供一種能夠生成可變的負(fù)電壓的柵極驅(qū)動(dòng)電路。如下圖所示，其中在開關(guān)的柵源極之間加入了負(fù)電壓電路10，包括與脈沖變壓器2共用的第二次級(jí)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(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的振幅，從而控制負(fù)電壓電路所產(chǎn)生的負(fù)偏壓。

圖6

小結(jié)

從技術(shù)問題來看，以上三件專利都考慮了防止晶體管開關(guān)誤導(dǎo)通的問題。在此基礎(chǔ)上，專利1還考慮到了柵極負(fù)偏壓過大而造成開關(guān)損壞的問題，專利2和專利3則考慮了由負(fù)載反射的噪聲對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電壓所帶來的干擾問題，此外，專利2還進(jìn)一步考慮了如何降低開關(guān)功耗的問題。

從應(yīng)用場(chǎng)景來看，松下2021年布局的專利2和專利3都主要是在高頻電源方面，尤其是需要MHz量級(jí)開關(guān)頻率的電源。不斷高頻化也正是目前氮化鎵這類寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展方向以及優(yōu)勢(shì)所在。顯然，松下已對(duì)其在高頻化氮化鎵驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品或技術(shù)的研發(fā)過程中所涉及的問題給出了相應(yīng)的解決方案，并準(zhǔn)備通過PCT專利在多國(guó)進(jìn)行專利布局。

（來源：第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)戰(zhàn)略聯(lián)盟）