專利名稱：一種可快速關(guān)斷耗盡型開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種耗盡型功率開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路，主要應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源或開(kāi) 關(guān)功率變換器，確切地說(shuō)是一種可快速關(guān)斷耗盡型開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路。
背景技術(shù)：
在已有技術(shù)中，由于場(chǎng)效應(yīng)功率開(kāi)關(guān)器件具有驅(qū)動(dòng)容易、開(kāi)關(guān)速度快等特點(diǎn)而在 功率變換領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。場(chǎng)效應(yīng)功率開(kāi)關(guān)器件可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類，但目前開(kāi) 關(guān)電源或開(kāi)關(guān)功率變換器中所用的場(chǎng)效應(yīng)功率開(kāi)關(guān)器件大都是增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件，它的開(kāi)通 和關(guān)斷是由控制驅(qū)動(dòng)電路提供的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)來(lái)控制的，該脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的幅度 一般為0 15V。也就是說(shuō)，當(dāng)控制驅(qū)動(dòng)電路輸出約15V的高電平時(shí)，增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通， 當(dāng)輸出為接近0V的低電平時(shí)，增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件截止，故現(xiàn)有的控制驅(qū)動(dòng)電路僅適用于控制 增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件。近年來(lái)，由于半導(dǎo)體氮化鎵開(kāi)關(guān)器件具有諸多優(yōu)異的性能特點(diǎn)，如開(kāi)關(guān)速度快、導(dǎo) 通內(nèi)阻低、耐壓高等，因而受到業(yè)界廣泛關(guān)注。但限于目前的制造工藝，氮化鎵開(kāi)關(guān)器件只 能做成耗盡型開(kāi)關(guān)器件。耗盡型開(kāi)關(guān)器件的特點(diǎn)是在其柵、源極間電壓接近零時(shí)就能導(dǎo)通， 只有當(dāng)其柵、源極間負(fù)電壓達(dá)到一定值時(shí)才能關(guān)斷，這就給控制帶來(lái)困難，如果將其直接應(yīng) 用于現(xiàn)有的開(kāi)關(guān)電源或開(kāi)關(guān)功率變換器中，將會(huì)出現(xiàn)不能關(guān)斷的情況。要想將性能優(yōu)良的 耗盡型氮化鎵開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用于現(xiàn)有開(kāi)關(guān)電源或開(kāi)關(guān)功率變換器，首先應(yīng)解決耗盡型開(kāi)關(guān)器 件的開(kāi)、關(guān)控制問(wèn)題。本申請(qǐng)人在先申請(qǐng)的中國(guó)專利“一種能可靠關(guān)斷的增強(qiáng)-耗盡型器件 組合開(kāi)關(guān)電路(申請(qǐng)?zhí)?201010112286. 4)”較好地解決了耗盡型開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)、關(guān)控制問(wèn) 題，能可靠關(guān)斷耗盡型氮化鎵開(kāi)關(guān)器件。但其關(guān)斷速度不夠快，因?yàn)樵摻M合開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷 速度取決于流過(guò)耗盡型開(kāi)關(guān)器件電流的大小，而該電流的大小又取決于電路負(fù)載的大小， 又由于在負(fù)載較輕時(shí)，流過(guò)耗盡型開(kāi)關(guān)器件的電流較小，使得向增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件漏、源極間 等效電容的充電電流也較小，從而導(dǎo)致耗盡型開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷速度緩慢，使氮化鎵開(kāi)關(guān)器 件開(kāi)關(guān)速度快的特點(diǎn)難以發(fā)揮。因此，氮化鎵開(kāi)關(guān)器件要獲得工程應(yīng)用并充分發(fā)揮其開(kāi)關(guān) 速度快的優(yōu)異性能，還應(yīng)解決其快速關(guān)斷的問(wèn)題。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)已有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種可快速關(guān)斷耗盡型開(kāi) 關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路，旨在解決耗盡型開(kāi)關(guān)器件可控性的同時(shí)重點(diǎn)解決其快速關(guān)斷的問(wèn)題， 其次是解決耗盡型開(kāi)關(guān)器件的快速開(kāi)通和驅(qū)動(dòng)電路的安全可靠性問(wèn)題，從而使耗盡型開(kāi)關(guān) 器件能夠更好地應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源和開(kāi)關(guān)變換器中。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下它主要包括一個(gè)P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件、一個(gè)N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件和接在該兩 個(gè)開(kāi)關(guān)器件柵極上的電阻，所述的P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件的漏極與N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件 的漏極相接，所述P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件的源極直接或者通過(guò)一個(gè)電阻接在本驅(qū)動(dòng)電路的供電電源上，所述N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件的源極直接或者通過(guò)一個(gè)電阻接到電路的參考 地，所述P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件的柵極通過(guò)其柵極上的電阻與控制信號(hào)輸入端相接，所述N 溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件的柵極通過(guò)其柵極上的電阻與控制信號(hào)輸入端相接。本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn)的技術(shù)方案如下在所述P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件的柵極電阻上并聯(lián)一個(gè)二極管，該二極管的陰極與 P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件的柵極相接，其陽(yáng)極與控制信號(hào)的輸入端相接，在所述N溝道增強(qiáng)型 開(kāi)關(guān)器件的柵極電阻上并聯(lián)另一個(gè)二極管，該二極管的陽(yáng)極與N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件的柵 極相接，其陰極與控制信號(hào)的輸入端相接。通過(guò)上述技術(shù)方案可以看出，本實(shí)用新型將P溝道和N溝道兩個(gè)增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件 Q1、Q2串聯(lián)連接，它們?cè)诿}沖寬度調(diào)制信號(hào)的控制下交替導(dǎo)通，并將N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件 Q2的漏、源極間電壓反向加在耗盡型開(kāi)關(guān)器件Q3的柵、源極間來(lái)控制耗盡型開(kāi)關(guān)器件的開(kāi) 通和關(guān)斷。該驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是在控制耗盡型開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)通過(guò)兩個(gè)支路的電流同時(shí)向 N溝道開(kāi)關(guān)器件Q2的漏、源極間寄生電容充電，其中一個(gè)支路的電流是由電源電壓VCC通 過(guò)P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件Ql直接提供，它不受電路負(fù)載變化的影響，可使充電電壓快速達(dá) 到耗盡型開(kāi)關(guān)器件所需的柵、源極間的關(guān)斷負(fù)電壓，使其快速關(guān)斷，并在耗盡型開(kāi)關(guān)器件關(guān) 斷時(shí)仍可通過(guò)P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件Ql繼續(xù)向N溝道開(kāi)關(guān)器件Q2的漏、源極間寄生電容 充電，確保了耗盡型開(kāi)關(guān)器件的可靠徹底關(guān)斷。本實(shí)用新型進(jìn)一步的改進(jìn)之一是在兩個(gè)增 強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件的柵極電阻上分別并聯(lián)二極管，一是可加速N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件Q2的快速 導(dǎo)通，加快耗盡型開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通速度；二是可避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)、關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)的瞬間同 時(shí)導(dǎo)通而產(chǎn)生直通現(xiàn)象，確保驅(qū)動(dòng)電路工作的可靠性。因此，本實(shí)用新型較好地解決了耗盡 型開(kāi)關(guān)器件的快速開(kāi)通和快速關(guān)斷問(wèn)題，特別是快速關(guān)斷問(wèn)題，能充分發(fā)揮耗盡型氮化鎵 開(kāi)關(guān)器件開(kāi)、關(guān)速度快的特點(diǎn)，同時(shí)，工作安全可靠。

圖1、本實(shí)用新型的電路原理圖之一。圖2、本實(shí)用新型的電路原理圖之二。圖3、本實(shí)用新型的電路原理圖之三。圖4、本實(shí)用新型的電路原理圖之四。圖5、本實(shí)用新型應(yīng)用于升壓型DC-DC開(kāi)關(guān)電源的電路原理圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)及其工作原理作詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1參見(jiàn)圖1，本驅(qū)動(dòng)電路由一個(gè)P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件Ql (以下簡(jiǎn)稱P溝道器件)和 一個(gè)N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件Q2(以下簡(jiǎn)稱N溝道器件)和接在該兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件柵極上的電 阻R1、R2組成，P溝道器件Ql的漏極D與N溝道器件Q2的漏極D相接，P溝道器件Ql的源 極S直接接在本驅(qū)動(dòng)電路的供電電源VCC上，N溝道器件Q2的源極S接參考地，P溝道器件 Ql的柵極G通過(guò)其柵極電阻Rl與驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸入端A相接，所述N溝道器件Q2的柵極 通過(guò)其柵極電阻R2與驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸入端A相接，該控制信號(hào)輸入端A與外部控制驅(qū)動(dòng)電路1的信號(hào)輸出端相接。所述N溝道器件Q2的漏極D與耗盡型開(kāi)關(guān)器件Q3源極S相接， N溝道器件的源極S與耗盡型開(kāi)關(guān)器件Q3的柵極G相接，從而使N溝道器件Q2的漏、源極 間電壓反向加到耗盡型開(kāi)關(guān)器件Q3的柵、源極間。其工作原理是由外部的控制驅(qū)動(dòng)電路1輸出脈沖寬度調(diào)制信號(hào)PWM送到本驅(qū)動(dòng) 電路的控制信號(hào)輸入端A點(diǎn)。當(dāng)控制驅(qū)動(dòng)電路1輸出高電平時(shí)，P溝道器件Ql的柵極被置 高，使Ql的柵、源極間電壓接近零，則Ql截止；與此同時(shí)，該高電平信號(hào)通過(guò)電阻R2向N溝 道器件Q2柵極G和源極S間的寄生電容充電，當(dāng)該充電電壓達(dá)到其導(dǎo)通電壓時(shí)，則N溝道 器件Q2導(dǎo)通，Q2的漏、源極間電壓接近零，使得耗盡型開(kāi)關(guān)器件Q3導(dǎo)通。當(dāng)控制驅(qū)動(dòng)電路 1輸出低電平時(shí)，N溝道器件Q2的柵極G被置為低電平，則Q2截止；與此同時(shí)，P溝道器件 Ql的柵極也被置為低電平，則電源VCC的反向電流通過(guò)電阻Rl向Ql的柵、源極間寄生電容 充電，當(dāng)該充電電壓達(dá)到Ql的導(dǎo)通電壓時(shí)，Ql導(dǎo)通，則電源VCC經(jīng)Ql提供的電流和流經(jīng)耗 盡型開(kāi)關(guān)器件(此時(shí)還未關(guān)斷)的電流同時(shí)向N溝道開(kāi)關(guān)器件Q2漏、源極間的寄生電容快 速充電，隨著Q2漏、源極間電壓的快速上升，施加在Q3柵、源極間的反向電壓也快速增加， 當(dāng)增加到Q3的關(guān)斷負(fù)電壓時(shí)，Q3關(guān)斷。耗盡型開(kāi)關(guān)器件Q3關(guān)斷后，P溝道開(kāi)關(guān)器件Ql保 持導(dǎo)通狀態(tài)，VCC繼續(xù)向N溝道開(kāi)關(guān)器件Q2的漏、源極間寄生電容充電，從而保證了 Q3關(guān) 斷所需的負(fù)電壓，確保Q3的可靠徹底關(guān)斷。通過(guò)上述工作原理可以看出，在耗盡型開(kāi)關(guān)器件Q3的關(guān)斷過(guò)程中，電源電壓VCC 經(jīng)Ql向Q2漏、源極間寄生電容充電，其充電電流的大小不受電路負(fù)載的影響，可使Q2漏、 源極間充電電壓快速達(dá)到Q3的關(guān)斷電壓，從而使Q3快速關(guān)斷。由此可見(jiàn)，本驅(qū)動(dòng)電路不僅 實(shí)現(xiàn)了耗盡型開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通與關(guān)斷的控制，同時(shí)，還具有快速關(guān)斷耗盡型開(kāi)關(guān)器件的特點(diǎn)。實(shí)施例2參見(jiàn)圖2，本例在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，在P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件Ql的柵極電阻Rl 上并聯(lián)一個(gè)二極管D1，該二極管Dl的陰極與P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件Ql的柵極相接，其陽(yáng)極 與控制信號(hào)的輸入端A相接，在所述N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件Q2的柵極電阻R2上并聯(lián)另一 個(gè)二極管D2，該二極管D2的陽(yáng)極與N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件Q2的柵極相接，其陰極與控制信 號(hào)的輸入端A相接。其工作原理是當(dāng)控制驅(qū)動(dòng)電路1輸出高電平時(shí)，二極管Dl導(dǎo)通，則該高電平信號(hào) 通過(guò)二極管Dl迅速加到P溝道器件Ql的柵極，使Ql快速截止；與此同時(shí)，二極管D2截止， 則該高電平信號(hào)通過(guò)電阻R2向N溝道器件Q2柵極G和源極S間的寄生電容充電，當(dāng)該充 電電壓達(dá)到柵、源極間的導(dǎo)通電壓時(shí)，則N溝道器件Q2導(dǎo)通，繼而使耗盡型開(kāi)關(guān)器件Q3導(dǎo) 通。當(dāng)控制驅(qū)動(dòng)電路1輸出低電平時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，該低電平通過(guò)二極管D2將Q2的柵 極G迅速拉到低電平，使Q2快速截止；與此同時(shí)，低電平將P溝道器件Ql的柵極電位拉低， Ql導(dǎo)通，則電源VCC經(jīng)Ql提供的電流和流經(jīng)耗盡型開(kāi)關(guān)器件Q3 (此時(shí)還未關(guān)斷)的電流同 時(shí)向N溝道器件Q2的漏、源極間寄生電容充電，當(dāng)該充電電壓達(dá)到Q3的關(guān)斷電壓時(shí)，Q3關(guān) 斷。通過(guò)上述工作原理可以看出，在高電平控制耗盡型開(kāi)關(guān)器件Q3開(kāi)通的過(guò)程中，高 電平可以通過(guò)導(dǎo)通的二極管Dl立即加到Ql的柵極，使Ql快速關(guān)斷，由于Ql的快速關(guān)斷， 可使Q2快速導(dǎo)通(因?yàn)闉楸苊鈨蓚€(gè)開(kāi)關(guān)Q1、Q2串聯(lián)直通，Q2最好在Ql關(guān)斷后導(dǎo)通，故Ql 快速關(guān)斷后，Q2就可在其之后快速導(dǎo)通)，繼而使Q3能夠快速開(kāi)通，從而使本驅(qū)動(dòng)電路具有
5快速開(kāi)通耗盡型開(kāi)關(guān)器件的特點(diǎn)。另外，通過(guò)設(shè)置二極管Dl、D2還可避免兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的串聯(lián)直通，提高本電路工 作的可靠性。其原理是在高電平到來(lái)時(shí)，對(duì)于Ql來(lái)說(shuō)，該高電平通過(guò)導(dǎo)通的二極管Dl快 速加到Ql柵極，使Ql迅速關(guān)斷，而對(duì)于Q2來(lái)說(shuō)，該高電平則通過(guò)電阻R2向Q2的柵、源極間 寄生電容充電，當(dāng)該充電電壓達(dá)到Q2的導(dǎo)通電壓時(shí)才導(dǎo)通，確保Q2在Ql關(guān)斷后滯后導(dǎo)通， 從而避免了該支路電流直通；同理，在低電平到來(lái)時(shí)，對(duì)于Q2來(lái)說(shuō)，該低電平通過(guò)導(dǎo)通二極 管D2快速將Q2的柵極拉到低電平，則Q2迅速關(guān)斷，而對(duì)于Ql來(lái)說(shuō)，當(dāng)?shù)碗娖綄㈦娮鑂l的 一端置低時(shí)，電源VCC通過(guò)電阻Rl向Ql的柵、源極間寄生電容充電，當(dāng)該充電電壓達(dá)到Ql 的導(dǎo)通電壓時(shí)才導(dǎo)通，也確保了 Ql在Q2關(guān)斷后才導(dǎo)通，從而也避免了兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件的串聯(lián) 直通。實(shí)施例3參見(jiàn)圖3，為了進(jìn)一步提高本驅(qū)動(dòng)電路的安全性和可靠性，在所述的P溝道增強(qiáng)型 開(kāi)關(guān)器件Ql的源極上串聯(lián)一個(gè)限流電阻R3，以限制流過(guò)開(kāi)關(guān)器件Ql的最大電流。實(shí)施例4參見(jiàn)圖4，為了進(jìn)一步提高本驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)用性，可在所述的N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器 件Q2的源極上串聯(lián)一個(gè)電流采樣電阻Rs，通過(guò)該采樣電阻Rs可以對(duì)流過(guò)開(kāi)關(guān)器件的電流 進(jìn)行采樣，并可通過(guò)外部的控制電路對(duì)其實(shí)施保護(hù)或?qū)﹄娏鬟M(jìn)行控制，使其工作在安全電 流下。實(shí)施例5參見(jiàn)圖5，圖中給出了一個(gè)本驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用實(shí)例，該電路是電流控制模式的升壓 型DC-DC變換器，其中虛框內(nèi)即是本驅(qū)動(dòng)電路，它和耗盡型開(kāi)關(guān)器件Q3可以替代原有的增 強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件，它們?cè)谠锌刂乞?qū)動(dòng)電路1的控制下完成了快速開(kāi)通與快速關(guān)斷的功能。 實(shí)驗(yàn)表明，本實(shí)用新型不僅能使該變換器正常工作，且開(kāi)關(guān)性能優(yōu)越、工作安全可靠。
權(quán)利要求一種可快速關(guān)斷耗盡型開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路，其特征是它主要包括一個(gè)P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件(Q1)、一個(gè)N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件(Q2)和接在該兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件柵極上的電阻(R1和R2)，所述的P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件(Q1)的漏極(D)與N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件(Q2)的漏極(D)相接，所述P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件(Q1)的源極(S)直接或者通過(guò)一個(gè)電阻(R3)接在本驅(qū)動(dòng)電路的供電電源(VCC)上，所述N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件(Q2)的源極(S)直接或者通過(guò)一個(gè)電阻(Rs)接到電路的參考地，所述P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件(Q1)的柵極通過(guò)其柵極上的電阻(R1)與控制信號(hào)輸入端(A)相接，所述N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件(Q2)的柵極通過(guò)其柵極上的電阻(R2)與控制信號(hào)輸入端(A)相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可快速關(guān)斷耗盡型開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路，其特征是在所述 P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件(Ql)的柵極電阻(Rl)上并聯(lián)一個(gè)二極管(Dl)，該二極管(Dl)的陰 極與P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件(Ql)的柵極相接，其陽(yáng)極與控制信號(hào)的輸入端(A)相接，在所 述N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件(Q2)的柵極電阻(R2)上并聯(lián)另一個(gè)二極管(D2)，該二極管(D2) 的陽(yáng)極與N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件(Q2)的柵極相接，其陰極與控制信號(hào)的輸入端(A)相接。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種可快速關(guān)斷耗盡型開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)電路。它主要由一個(gè)P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件、一個(gè)N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件和接在該兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件柵極上的電阻組成，并且P溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件的漏極與N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件的漏極相接。該兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件在脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的控制下交替導(dǎo)通，并將N溝道增強(qiáng)型開(kāi)關(guān)器件的漏、源極間電壓反向加在耗盡型開(kāi)關(guān)器件的柵、源極間來(lái)控制耗盡型開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通和關(guān)斷。本驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)是可快速開(kāi)通和快速關(guān)斷耗盡型開(kāi)關(guān)器件。不僅解決耗盡型開(kāi)關(guān)器件用于現(xiàn)有開(kāi)關(guān)電源或開(kāi)關(guān)功率變換器的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，同時(shí)還解決了耗盡型開(kāi)關(guān)器件的快速關(guān)斷問(wèn)題。
文檔編號(hào)H02M1/088GK201656754SQ201020130489
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者劉樹(shù)林, 曹曉生, 楊波, 王媛媛 申請(qǐng)人:西安科技大學(xué)