專利名稱：一種可快速關(guān)斷耗盡型開關(guān)器件的驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耗盡型功率開關(guān)器件的驅(qū)動電路，主要應(yīng)用于開關(guān)電源或開關(guān)功
率變換器，確切地說是一種可快速關(guān)斷耗盡型開關(guān)器件的驅(qū)動電路。
背景技術(shù)：
在已有技術(shù)中，由于場效應(yīng)功率開關(guān)器件具有驅(qū)動容易、開關(guān)速度快等特點(diǎn)而在 功率變換領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。場效應(yīng)功率開關(guān)器件可分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類，但目前開 關(guān)電源或開關(guān)功率變換器中所用的場效應(yīng)功率開關(guān)器件大都是增強(qiáng)型開關(guān)器件，它的開通 和關(guān)斷是由控制驅(qū)動電路提供的脈沖寬度調(diào)制信號來控制的，該脈沖寬度調(diào)制信號的幅度 一般為0 15V。也就是說，當(dāng)控制驅(qū)動電路輸出約15V的高電平時(shí)，增強(qiáng)型開關(guān)器件開通， 當(dāng)輸出為接近OV的低電平時(shí)，增強(qiáng)型開關(guān)器件截止，故現(xiàn)有的控制驅(qū)動電路僅適用于控制 增強(qiáng)型開關(guān)器件。 近年來，由于半導(dǎo)體氮化鎵開關(guān)器件具有諸多優(yōu)異的性能特點(diǎn)，如開關(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，氮化鎵開關(guān)器件只 能做成耗盡型開關(guān)器件。耗盡型開關(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，這就給控制帶來困難，如果將其直接應(yīng) 用于現(xiàn)有的開關(guān)電源或開關(guān)功率變換器中，將會出現(xiàn)不能關(guān)斷的情況。要想將性能優(yōu)良的 耗盡型氮化鎵開關(guān)器件應(yīng)用于現(xiàn)有開關(guān)電源或開關(guān)功率變換器，首先應(yīng)解決耗盡型開關(guān)器 件的開、關(guān)控制問題。本申請人在先申請的中國專利"一種能可靠關(guān)斷的增強(qiáng)-耗盡型器件 組合開關(guān)電路(申請?zhí)?01010112286. 4)"較好地解決了耗盡型開關(guān)器件的開、關(guān)控制問 題，能可靠關(guān)斷耗盡型氮化鎵開關(guān)器件。但其關(guān)斷速度不夠快，因?yàn)樵摻M合開關(guān)器件的關(guān)斷 速度取決于流過耗盡型開關(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)，流過耗盡型開關(guān)器件的電流較小，使得向增強(qiáng)型開關(guān)器件漏、源極間 等效電容的充電電流也較小，從而導(dǎo)致耗盡型開關(guān)器件的關(guān)斷速度緩慢，使氮化鎵開關(guān)器 件開關(guān)速度快的特點(diǎn)難以發(fā)揮。因此，氮化鎵開關(guān)器件要獲得工程應(yīng)用并充分發(fā)揮其開關(guān) 速度快的優(yōu)異性能，還應(yīng)解決其快速關(guān)斷的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)中存在的問題，提供一種可快速關(guān)斷耗盡型開關(guān)器
件的驅(qū)動電路，旨在解決耗盡型開關(guān)器件可控性的同時(shí)重點(diǎn)解決其快速關(guān)斷的問題，其次
是解決耗盡型開關(guān)器件的快速開通和驅(qū)動電路的安全可靠性問題，從而使耗盡型開關(guān)器件
能夠更好地應(yīng)用于開關(guān)電源和開關(guān)變換器中。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下 它主要包括一個(gè)P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件、一個(gè)N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件和接在該兩 個(gè)開關(guān)器件柵極上的電阻，所述的P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件的漏極與N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件 的漏極相接，所述P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件的源極直接或者通過一個(gè)電阻接在本驅(qū)動電路的供電電源上，所述N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件的源極直接或者通過一個(gè)電阻接到電路的參考 地，所述P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件的柵極通過其柵極上的電阻與控制信號輸入端相接，所述N 溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件的柵極通過其柵極上的電阻與控制信號輸入端相接。
本發(fā)明進(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)型開關(guān)器件的柵極相接，其陽極與控制信號的輸入端相接，在所述N溝道增強(qiáng)型 開關(guān)器件的柵極電阻上并聯(lián)另一個(gè)二極管，該二極管的陽極與N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件的柵 極相接，其陰極與控制信號的輸入端相接。 通過上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明將P溝道和N溝道兩個(gè)增強(qiáng)型開關(guān)器件Ql、 Q2串聯(lián)連接，它們在脈沖寬度調(diào)制信號的控制下交替導(dǎo)通，并將N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件Q2 的漏、源極間電壓反向加在耗盡型開關(guān)器件Q3的柵、源極間來控制耗盡型開關(guān)器件的開通 和關(guān)斷。該驅(qū)動電路的特點(diǎn)是在控制耗盡型開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)通過兩個(gè)支路的電流同時(shí)向N 溝道開關(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P 溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件Q1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，并在耗盡型開關(guān)器件關(guān)斷時(shí) 仍可通過P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件Ql繼續(xù)向N溝道開關(guān)器件Q2的漏、源極間寄生電容充電， 確保了耗盡型開關(guān)器件的可靠徹底關(guān)斷。本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)之一是在兩個(gè)增強(qiáng)型開關(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)型開關(guān)器件Q2的快速導(dǎo)通，加快 耗盡型開關(guān)器件的開通速度；二是可避免兩個(gè)開關(guān)器件在開、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)動電路工作的可靠性。因此，本發(fā)明較好地解決了耗盡型開關(guān)器件的 快速開通和快速關(guān)斷問題，特別是快速關(guān)斷問題，能充分發(fā)揮耗盡型氮化鎵開關(guān)器件開、關(guān) 速度快的特點(diǎn)，同時(shí)，工作安全可靠。


圖1、本發(fā)明的電路原理圖之一。
圖2、本發(fā)明的電路原理圖之二。
圖3、本發(fā)明的電路原理圖之三。
圖4、本發(fā)明的電路原理圖之四。 圖5、本發(fā)明應(yīng)用于升壓型DC-DC開關(guān)電源的電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及其工作原理作詳細(xì)說明。
實(shí)施例1 參見圖1 ，本驅(qū)動電路由一個(gè)P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件Ql (以下簡稱P溝道器件)和 一個(gè)N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件Q2(以下簡稱N溝道器件)和接在該兩個(gè)開關(guān)器件柵極上的電 阻Rl 、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通過其柵極電阻R1與驅(qū)動控制信號輸入端A相接，所述N溝道器件Q2的柵極 通過其柵極電阻R2與驅(qū)動控制信號輸入端A相接，該控制信號輸入端A與外部控制驅(qū)動電
4路1的信號輸出端相接。所述N溝道器件Q2的漏極D與耗盡型開關(guān)器件Q3源極S相接， N溝道器件的源極S與耗盡型開關(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)動電路1輸出脈沖寬度調(diào)制信號P麗送到本驅(qū)動 電路的控制信號輸入端A點(diǎn)。當(dāng)控制驅(qū)動電路1輸出高電平時(shí)，P溝道器件Q1的柵極被置 高，使Q1的柵、源極間電壓接近零，則Q1截止；與此同時(shí)，該高電平信號通過電阻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，使得耗盡型開關(guān)器件Q3導(dǎo)通。當(dāng)控制驅(qū)動電路 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的反向電流通過電阻R1向Q1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)，Q1導(dǎo)通，則電源VCC經(jīng)Ql提供的電流和流經(jīng)耗 盡型開關(guān)器件(此時(shí)還未關(guān)斷)的電流同時(shí)向N溝道開關(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。耗盡型開關(guān)器件Q3關(guān)斷后，P溝道開關(guān)器件Ql保 持導(dǎo)通狀態(tài)，VCC繼續(xù)向N溝道開關(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。 通過上述工作原理可以看出，在耗盡型開關(guān)器件Q3的關(guān)斷過程中，電源電壓VCC 經(jīng)Q1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，本驅(qū)動電路不僅
實(shí)現(xiàn)了耗盡型開關(guān)器件開通與關(guān)斷的控制，同時(shí)，還具有快速關(guān)斷耗盡型開關(guān)器件的特點(diǎn)。
實(shí)施例2 參見圖2，本例在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，在P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件Q1的柵極電阻R1 上并聯(lián)一個(gè)二極管D1，該二極管D1的陰極與P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件Q1的柵極相接，其陽極 與控制信號的輸入端A相接，在所述N溝道增強(qiáng)型開關(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的陽極與N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件Q2的柵極相接，其陰極與控制信 號的輸入端A相接。 其工作原理是當(dāng)控制驅(qū)動電路1輸出高電平時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，則該高電平信號 通過二極管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， 則該高電平信號通過電阻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，繼而使耗盡型開關(guān)器件Q3導(dǎo) 通。當(dāng)控制驅(qū)動電路1輸出低電平時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，該低電平通過二極管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Q1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。 通過上述工作原理可以看出，在高電平控制耗盡型開關(guān)器件Q3開通的過程中，高 電平可以通過導(dǎo)通的二極管D1立即加到Q1的柵極，使Q1快速關(guān)斷，由于Q1的快速關(guān)斷， 可使Q2快速導(dǎo)通(因?yàn)闉楸苊鈨蓚€(gè)開關(guān)Q1、Q2串聯(lián)直通，Q2最好在Ql關(guān)斷后導(dǎo)通，故Q1 快速關(guān)斷后，Q2就可在其之后快速導(dǎo)通)，繼而使Q3能夠快速開通，從而使本驅(qū)動電路具有
5快速開通耗盡型開關(guān)器件的特點(diǎn)。 另外，通過設(shè)置二極管D1、 D2還可避免兩個(gè)開關(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時(shí)，對于Ql來說，該高電平通過導(dǎo)通的二極管Dl快 速加到Ql柵極，使Ql迅速關(guān)斷，而對于Q2來說，該高電平則通過電阻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，在低電平到來時(shí)，對于Q2來說，該低電平通過導(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，而對于Ql來說，當(dāng)?shù)碗娖綄㈦娮鑂l的 一端置低時(shí)，電源VCC通過電阻R1向Q1的柵、源極間寄生電容充電，當(dāng)該充電電壓達(dá)到Q1 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)開關(guān)器件的串聯(lián) 直通。 實(shí)施例3 參見圖3，為了進(jìn)一步提高本驅(qū)動電路的安全性和可靠性，在所述的P溝道增強(qiáng)型 開關(guān)器件Q1的源極上串聯(lián)一個(gè)限流電阻R3，以限制流過開關(guān)器件Q1的最大電流。
實(shí)施例4 參見圖4，為了進(jìn)一步提高本驅(qū)動電路的實(shí)用性，可在所述的N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器 件Q2的源極上串聯(lián)一個(gè)電流采樣電阻Rs，通過該采樣電阻Rs可以對流過開關(guān)器件的電流 進(jìn)行采樣，并可通過外部的控制電路對其實(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 參見圖5，圖中給出了一個(gè)本驅(qū)動電路的應(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)動電路，它和耗盡型開關(guān)器件Q3可以替代原有的增 強(qiáng)型開關(guān)器件，它們在原有控制驅(qū)動電路1的控制下完成了快速開通與快速關(guān)斷的功能。 實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明不僅能使該變換器正常工作，且開關(guān)性能優(yōu)越、工作安全可靠。
權(quán)利要求
一種可快速關(guān)斷耗盡型開關(guān)器件的驅(qū)動電路，其特征是它主要包括一個(gè)P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件(Q1)、一個(gè)N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件(Q2)和接在該兩個(gè)開關(guān)器件柵極上的電阻(R1和R2)，所述的P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件(Q1)的漏極(D)與N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件(Q2)的漏極(D)相接，所述P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件(Q1)的源極(S)直接或者通過一個(gè)電阻(R3)接在本驅(qū)動電路的供電電源(VCC)上，所述N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件(Q2)的源極(S)直接或者通過一個(gè)電阻(Rs)接到電路的參考地，所述P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件(Q1)的柵極通過其柵極上的電阻(R1)與控制信號輸入端(A)相接，所述N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件(Q2)的柵極通過其柵極上的電阻(R2)與控制信號輸入端(A)相接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可快速關(guān)斷耗盡型開關(guān)器件的驅(qū)動電路，其特征是在所述 P溝道增強(qiáng)型開關(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)型開關(guān)器件(Ql)的柵極相接，其陽極與控制信號的輸入端(A)相接，在所 述N溝道增強(qiáng)型開關(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) 的陽極與N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件(Q2)的柵極相接，其陰極與控制信號的輸入端(A)相接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可快速關(guān)斷耗盡型開關(guān)器件的驅(qū)動電路。它主要由一個(gè)P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件、一個(gè)N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件和接在該兩個(gè)開關(guān)器件柵極上的電阻組成，并且P溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件的漏極與N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件的漏極相接。該兩個(gè)開關(guān)器件在脈沖寬度調(diào)制信號的控制下交替導(dǎo)通，并將N溝道增強(qiáng)型開關(guān)器件的漏、源極間電壓反向加在耗盡型開關(guān)器件的柵、源極間來控制耗盡型開關(guān)器件的開通和關(guān)斷。本驅(qū)動電路的特點(diǎn)是可快速開通和快速關(guān)斷耗盡型開關(guān)器件。不僅解決耗盡型開關(guān)器件用于現(xiàn)有開關(guān)電源或開關(guān)功率變換器的驅(qū)動問題，同時(shí)還解決了耗盡型開關(guān)器件的快速關(guān)斷問題。
文檔編號H02M3/155GK101789680SQ20101012354
公開日2010年7月28日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者劉樹林, 曹曉生, 楊波, 王媛媛 申請人:西安科技大學(xué)