CN101783666A - 一种能可靠关断的增强-耗尽型器件组合开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能可靠关断的增强-耗尽型器件组合开关电路。它主要由耗尽型氮化镓开关器件Q1、N沟道增强型器件Q2、分压限压电阻R1和R2组成。它采用增强型器件与耗尽型器件串联的形式构成一个组合开关，并通过控制增强器件来实现对耗尽型器件的开、关控制，有效地解决了现有控制驱动电路不能应用于耗尽型开关器件的难题。同时，通过电路的精心设计和元件参数的合理选择，能充分发挥耗尽型氮化镓开关器件的优良性能，使本组合开关在高频、耐高压和低导通电阻的性能上比单一增强型开关器件高出一筹。本发明应用于开关电源或开关变换器时，能实现变换器的高频化、小型化和高效化，并能进一步提高变换器的可靠性。

Description

一种能可靠关断的增强-耗尽型器件组合开关电路

技术领域

本发明涉及一种开关电路，它主要用于开关电源及各类功率变换器，确切地说是一种应用于功率变换的能可靠关断的增强-耗尽型器件组合开关电路。

背景技术

近年来由于氮化镓异质结外延技术的突破，第三代宽禁带半导体氮化镓器件的研制迅速发展，由于其卓越的物理化学特性和潜在的技术优势，因而受到业界人士的广泛关注和重视。

氮化镓开关器件的主要特点和优良性能包括：(1)电子迁移率高：即具有开关速度快，导通内阻低的优良特性，因而在高频、高速方面应用潜力很大。在开关电源中，提高工作频率可以减小电容、电感和变压器等的体积；开关导通内阻低可以大大降低开通损耗，从而使开关电源功率密度和效率大大提高、体积大大减小。(2)禁带宽度宽：由于禁带宽度宽，使其具有耐高温、高压的优异特性。耐高温可以进一步简化电路的散热系统，减小电路体积，同时提高可靠性；耐高压可使其的应用电压范围更宽，应用领域更广。更重要的是在相同输出功率的情况下，采用较高的工作电压可以提高功率变换器效率。(3)抗辐照能力强：氮化镓材料化学键能高，材料的物理化学性能稳定，不易受外来的物理、化学作用的影响，因而具有较强的抗辐照能力，使其可用在航空航天领域。

但限于目前的制造工艺，氮化镓开关器件只能做成耗尽型器件。由于耗尽型器件在栅、源极间电压为零时仍处于导通状态，故难以直接用于开关电源，因为现有开关电源的控制驱动电路是针对增强型开关器件而设计，也就是说，它提供约0～15V的脉冲频率调制信号来控制开关器件的开启与关断，如果将该控制信号直接用于驱动耗尽型开关器件，则耗尽型器件不可能关断。因此，氮化镓开关器件要获得工程应用，当务之急是在现有控制驱动电路情况下，有效地解决其可关断的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决耗尽型开关器件的可关断问题，提供一种能可靠关断的增强-耗尽型器件组合开关电路，通过控制增强型开关器件实施对耗尽型开关器件的控制，从而使得现有开关电源的控制驱动电路也可直接应用于耗尽型氮化镓开关器件。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

它至少由一个耗尽型开关器件、N沟道增强型器件、第一分压限压电阻和第二分压限压电阻构成，所述耗尽型开关器件的源极与N沟道增强型开关器件的漏极相连，从而构成该两个开关器件的串联，其中所述耗尽型开关器件的漏极作为该组合开关电路的一端引出，而所述N沟道增强型开关器件的源极作为该组合开关电路的另一端与电路的参考地相接，所述耗尽型开关器件的栅极接参考地，所述N沟道增强型开关器件的栅极作为该组合开关电路的控制端与其外部的控制驱动电路相接，所述的第一、二分压限压电阻串联后再并联到本组合开关的两端，并且第一、第二分压限压电阻的串联接点接在所述耗尽型开关器件源极与N沟道增强型开关器件漏极的连接点上。

本发明进一步改进的技术方案如下：

在所述的N沟道增强型器件的源极与参考地之间串联一个电流采样电阻。

本发明采用增强型器件与耗尽型器件串联的形式构成一个组合开关，并通过控制增强型器件来实现对耗尽型器件的开、关控制，同时，还通过设置分压限压电阻保证了耗尽型器件的可靠关断，有效地解决了现有开关电源的控制驱动电路不能应用于耗尽型开关器件的难题。再者，由于是两个开关串联，故合理地选择小导通内阻的增强型器件，可使耗尽型氮化镓开关器件导通内阻小的优势得以发挥；同时，本电路又通过电阻R1、R2的分压，控制增强型器件漏、源极间的电压大大小于耗尽型器件漏、源极间的电压，从而让耗尽型器件主要承受施加在本组合开关器件两端的电压，使耗尽型氮化镓开关器件的耐高压的特性得以发挥，因此，虽然与增强型器件组合受到其性能的限制，但通过电路的精心设计和元件的合理选择，还是可发挥耗尽型氮化镓开关器件的优良性能，使本组合开关在高频、耐高压和低导通电阻的性能上比单一增强型开关器件高出一筹。

附图说明

图1是本发明的工作原理图之一。

图2是本发明的工作原理图之二。

图3是本发明的工作原理图之三。

图4是本发明应用于升压型DC-DC开关电源的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及其工作原理作详细的说明。

实施例1

参见图1，本组合开关电路由耗尽型开关器件(以下简称耗尽型器件)Q1、N沟道增强型器件(以下简称增强型器件)Q2、第一分压限压电阻R1和第二分压限压电阻R2构成，耗尽型器件Q1的源极S与增强型器件Q2的漏极D相连，以构成该两个开关器件的串联，其中耗尽型器件Q1的漏极D作为该组合开关电路的一端引出，而增强型器件Q2的源极S作为该组合开关电路的另一端与电路的参考地相接，耗尽型器件Q1的栅极G接参考地，增强型器件Q2的栅极作为该组合开关电路的控制端与其外部的控制驱动电路相接，电阻R1、R2先串联形成分压器后，再并联到本组合开关的两端，并且电阻R1、R2的串联接点接在耗尽型器件Q1的源极S与增强型器件Q2漏极D的连接点上，使得耗尽型器件Q1与增强型器件Q2的漏、源极间的电压仅由电阻R1和电阻R2的分压值决定。

上述组合开关器件的工作原理是：由外部的控制驱动电路1输出约0～15V的脉冲频率调制信号来控制本组合开关的开启与关断。当控制驱动电路1输出高电平时，增强型器件Q2因为栅、源极间正偏而导通，从而将Q2的源极电位下拉到低电平，使得耗尽型器件Q1的栅、源极间电压接近于零而使其导通；当控制驱动电路1输出低电平时，Q2截止，但由于Q2漏、源极间存在寄生电容，使得开关回路中的电流不可能突然减小到零，而是给Q2漏、源间的寄生电容充电，随着Q2漏源电压的上升，施加在Q1栅、源极间的反向电压增加，当增加到Q1的夹断电压时，Q1被关断，但是，Q1一旦被关断，开关回路对Q2漏、源极间寄生电容的充电也将停止，这样，加在Q1栅、源间的反向电压也会下降，并可能小于其夹断电压，使Q1有再次开通的趋势，有可能形成不可靠关断的情况。为使在控制驱动电路1输出低电平时Q1能可靠关断，本发明将电阻R1和R2分别并接在Q1、Q2的漏源极间，并使电阻R1和R2大大小于Q1、Q2关断时的漏、源极间的等效电阻，即如果Q1、Q2关断时的漏源极间等效电阻为R_DS1、R_DS2，则有R1＜＜R_DS1，R2＜＜R_DS2，但为避免产生太大的损耗，R1和R2的值也不能太小。在Q1、Q2的漏、源极间并接电阻R1和R2后，在驱动电路输出低电平时，当Q1栅源间的反向电压增加到其夹断电压时，Q1关断，Q2也关断，由于R1＜＜R_DS1，R2＜＜R_DS2，电路中电流会通过电阻R1继续对Q2的漏、源极间的寄生电容充电，从而继续将Q1的源极电位抬高，Q1、Q2的漏、源极间的电压最终由电阻R1和R2的分压值决定，Q2的漏、源极间电压即为Q1栅、源极间的反向电压，因此，可通过合理选择R1和R2，使得R2上的分压大于Q1的夹断电压，即可保证Q1可靠关断所需的栅、源极间的负偏置电压。同时，为了确保Q2的安全工作，R2的分压还必须小于Q2的漏、源极间的击穿电压。

实施例2

为了进一步提高本组合开关安全性和实用性，可在所述的增强型器件Q2的源极S与地之间串联一个电流采样电阻Rs，其串联结构可以是如图2、3所示的两种形式。通过该采样电阻Rs可以对流过本组合开关中的电流进行采样，并可通过外部的控制电路对其实施保护或对电流进行控制，使其工作在安全电流下。

实施例3

参见图4，图中给出了一个本组合开关电路的应用实例，该电路是电流控制模式的升压型DC-DC变换器，其中虚框内即是本组合开关电路，它替代了原有的增强型开关器件，在原有控制驱动电路的控制下完成了开启与可靠关断的功能。实验表明，本发明不仅能使该变换器正常工作，且能发挥氮化镓开关器件的优异性能，使变换器功率密度和效率大大提高，并能提高变换器工作的可靠性。

Claims (2)

1.一种能可靠关断的增强-耗尽型器件组合开关电路，其特征是：它至少由一个耗尽型开关器件(Q1)、N沟道增强型器件(Q2)、第一分压限压电阻(R1)和第二分压限压电阻(R2)构成，所述耗尽型开关器件(Q1)的源极(S)与N沟道增强型开关器件(Q2)的漏极(D)相连，从而构成该两个开关器件的串联，其中所述耗尽型开关器件(Q1)的漏极(D)作为该组合开关电路的一端引出，而所述N沟道增强型开关器件(Q2)的源极(S)作为该组合开关电路的另一端与电路的参考地相接，所述耗尽型开关器件(Q1)的栅极(G)接参考地，所述N沟道增强型开关器件(Q2)的栅极(G)作为该组合开关电路的控制端与其外部的控制驱动电路相接，所述的第一、二分压限压电阻(R1、R2)串联后再并联到本组合开关的两端，并且第一、第二分压限压电阻的串联接点接在所述耗尽型开关器件(Q1)源极(S)与N沟道增强型开关器件(Q2)漏极(D)的连接点上。

2.根据权利要求1所述的可可靠关断的增强-耗尽型器件组合开关电路，其特征是：在所述的N沟道增强型器件(Q2)的源极(S)与参考地之间串联一个电流采样电阻(Rs)。

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