CN107196544A - 一种基于np沟道互补耗尽型mosfet整流二极管 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了二极管领域内的一种基于NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管，包括耗尽型NMOS管M1、耗尽型PMOS管M2以及低开启电压的肖特基二极管D1，耗尽型NMOS管M1的漏极接二极管D1的负极侧，耗尽型PMOS管M2的漏极接二极管D1的正极侧，耗尽型NMOS管M1的栅极接二极管D1的正极侧，耗尽型PMOS管M2的栅极接二极管D1的负极侧，本发明在低功率敏感度、高功率容量以及减小反向漏电流等方面有着优越性能，通过在低开启电压的肖特基二极管D1两端连接NP沟道耗尽型MOS管，使得二极管D1在具备低开启电压保持的前提下还具有较高的截至电压，更好的起到保护二极管D1防止被击穿的作用，可用于无线充电线路中的二极管中。

Description

一种基于NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管
技术领域
本发明涉及一种二极管，特别涉及一种基于无线能量传输应用的整流二极管。
背景技术
无线能量传输应用中，常采用具有低开启电压的肖特基二极管来提高低功率输入水平下的整流高效率；但是，由于半导体工艺局限性，具有低开启电压的肖特基二极管难以实现较高的截止电压，即具有强低功率敏感度的肖特基二极管，难以实现高功率容量。在一些需要宽功率动态范围的无线能量传输应用中，具有低开启电压的肖特基二极管难以胜任。同时，半导体工艺决定低开启电压的肖特基二极管具有较大的饱和电流，即反向漏电流，降低整流器的整流效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管，具有低功率敏感度、高功率容量以及减小反向漏电流的特点。
本发明的目的是这样实现的：一种基于NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管，包括耗尽型NMOS管M1、耗尽型PMOS管M2以及低开启电压的肖特基二极管D1，所述耗尽型NMOS管M1的漏极接二极管D1的负极侧，所述耗尽型PMOS管M2的漏极接二极管D1的正极侧，所述耗尽型NMOS管M1的栅极接二极管D1的正极侧，所述耗尽型PMOS管M2的栅极接二极管D1的负极侧。
本发明工作时，正向偏置条件下，耗尽型NMOS管、耗尽型PMOS管同时导通，电路结构等价于低开启电压的肖特基二极管，以提高整理二极管低功率敏感度；反向偏置时，加载在耗尽型NMOS管源、栅极电压和加载在耗尽型PMOS管栅、源极电压大于阈值电压时，耗尽型NMOS管、耗尽型PMOS管首先关闭，并在其漏、源两极维持较大反向偏置电压防止肖特基二极管击穿，以提高整流二极管功率容量。同时，反向偏置耗尽型NPMOS管漏、源极提供反向电流路径，而NMOS管、PMOS管的漏电流极小，在NMOS管、PMOS管击穿之前保持此较小漏电流，因此基于NP沟道互补耗尽型MOS管的漏电流远小于D1。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明在低功率敏感度、高功率容量以及减小反向漏电流等方面有着优越性能，通过在低开启电压的肖特基二极管D1两端连接NP沟道耗尽型MOS管，使得二极管D1在具备低开启电压保持的前提下还具有较高的截至电压，更好的起到保护二极管D1的作用。本发明可用于无线充电线路中的整流二极管。
作为本发明的进一步限定，所述耗尽型NMOS管M1的漏极接二极管D1的负极，耗尽型NMOS管M1的源极作为MOSFET整流二极管的输出负极，所述耗尽型PMOS管的漏极接二极管的正极，耗尽型PMOS管的源极作为MOSFET整流二极管的输入正极。
作为本发明的进一步限定，所述耗尽型NMOS管M1的栅极接二极管D1的正极，所述耗尽型PMOS管M2的栅极接二极管D1的负极。耗尽型PMOS管M2的栅极与D1的负极相连以提供正向偏置下Vgs,p<0，耗尽型NMOS管M1的栅极与D1的正极相连以提供正向偏置下Vgs,n>0，保证M1、M2在正向偏置下导通。
作为本发明的进一步限定，所述耗尽型NMOS管M1的栅极接耗尽型PMOS管M2的源极，所述耗尽型PMOS管M2的栅极接耗尽型NMOS管M1的源极。耗尽型PMOS管M2的栅极与耗尽型NMOS管M1的源极相连以提供正向偏置下Vgs,p<0，耗尽型NMOS管M1的栅极与耗尽型PMOS管M2的源极相连以提供正向偏置下Vgs,n>0，保证M1、2在正向偏置下导通。
作为本发明的进一步限定，所述耗尽型NMOS管设置有若干个，且相互之间串联接在一起，即上一耗尽型NMOS管的源极接下一耗尽型NMOS管的漏极，所有耗尽型NMOS管的栅极连接在一起后接MOSFET整流二极管的输入正极；所述耗尽型PMOS管设置有若干个，且相互之间串联接在一起，即上一耗尽型PMOS管的漏极接下一耗尽型PMOS管的源极，所有耗尽型PMOS管的栅极连接在一起后接MOSFET整流二极管的输出负极。
附图说明
图1为本发明中实施例1电路原理图。
图2为本发明中实施例2电路原理图。
图3为本发明中实施例3电路原理图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
如图1所示的一种基于NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管，包括耗尽型NMOS管M1、耗尽型PMOS管M2以及低开启电压的肖特基二极管D1，所述耗尽型NMOS管M1的漏极接二极管D1的负极，所述耗尽型PMOS管M2的漏极接二极管D1的正极，所述耗尽型NMOS管M1的栅极接二极管D1的正极，所述耗尽型PMOS管M2的栅极接二极管D1的负极，耗尽型NMOS管M1的源极作为MOSFET整流二极管的输出负极，耗尽型PMOS管的源极作为MOSFET整流二极管的输入正极。
根据半导体知识，MOS管的漏极、源极提供主要电流通路。
正向偏置电压V加载在图1所示的NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管两端时，NMOS管、PMOS管的漏、源极以及二极管D1对V进行分压，假设D1上的分压为：Vd1<Vd<Vth，（其中，Vd1是二极管D1上的电压，即正负极间电压；Vd是二极管D1开启电压，对于确定的二极管D1，Vd也是确定的；Vth是MOS管开启的阈值电压，例如，对于耗尽型NMOS来说，Vgs,n>-Vth时，MOS管才能被开启）即：
Vd1+Vsd,p+Vds,n=V
根据图3的电路连接方式和基尔霍夫电压理论可知
Vgs,p=-(Vd1+Vsd,p)
Vgs,n=Vd1+Vds,n
由于正向偏置电压V>0，电流路径为PMOS管的源极、漏极到D1正极，最终由D1负极流经NMOS管的漏极、源极，所以Vd1>0，Vsd,p>0，Vds,n>0，即
Vgs,p<0<Vth
Vgs,n>0>-Vth
耗尽型NMOS管、PMOS管在正向偏置电压下导通。
反向偏置电压V’加载在图1所示的整流二极管两端时，反向电流路径为NMOS管的源极、漏极到D1负极，最终由D1正极流经PMOS管的漏极、源极，假设D1上的反向偏置电压为Vd1’<VD1|br (VD1|br是D1反向截止电压)，所以
Vsd,n+Vds,p+Vd1’=V’
反向偏置是电压方向的反转，所以电压依然满足V’>0，所以Vd1’>0，Vds,p>0，Vsd,n>0，所以
Vgs,p=Vd1’+Vds,p
Vgs,n=-(Vd1’+Vsd,n)
随着反向偏置电压增加，当Vgs,p=Vd1’+Vds,p>Vth，Vgs,n=-(Vd1’+Vsd,n)<-Vth时，由于M1、M2物理特性一致和其NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管的电路结构的对称性，Vsd,n=Vds,p, 所以NMOS管、PMOS管同时关闭，NMOS管、PMOS管维持大部分反向偏置电压以提供D1的保护，所以对应图1的反向截至电压可以表示为(Vsd,n|br和Vds,p|br分别是M1、M2的反向截止电压)
Vbr=Vsd,n|br+VD1|br+ Vds,p|br。
实施例2
如图2所示的一种基于NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管，包括耗尽型NMOS管M1、耗尽型PMOS管M2以及低开启电压的肖特基二极管D1，所述耗尽型NMOS管M1的漏极接二极管D1的负极，所述耗尽型PMOS管M2的漏极接二极管D1的正极，所述耗尽型NMOS管M1的栅极接耗尽型PMOS管M2的源极，所述耗尽型PMOS管M2的栅极接耗尽型NMOS管M1的源极，耗尽型NMOS管M1的源极作为MOSFET整流二极管的输出负极，耗尽型PMOS管的源极作为MOSFET整流二极管的输入正极。
根据半导体知识，MOS管的漏、源极提供主要电流路径。
正向偏置电压V加载在整流二极管两端时，根据图2的电路连接方式得到：
Vgs,p=-V<Vth
-Vth<Vgs,n=V
耗尽型NMOS管、PMOS管在正向偏置电压下导通。
反向偏置电压V’加载在图2所示的整流二极管两端时，反向电流路径为NMOS管的源、漏极到D1负极，最终由D1正极流经PMOS管的漏、源极，反向偏置是电压方向的反转，所以电压依然满足V’>0，所以Vd1’>0，Vds,p>0，Vsd,n>0，所以
Vgs,p=V’
Vgs,n=-V’
随着反向偏置电压增加，当Vgs,p >Vth，Vgs,n<-Vth时，NPMOS管 M1和M2同时关闭，M1、M2维持大部分反向偏置电压以提供D1的保护，所以对应图3的反向截至电压可以表示为(Vsd,n|br和Vds,p|br分别是M1、M2的反向截止电压)
Vbr=Vsd,n|br+VD1|br+ Vds,p|br。
图1电路结构和图2电路结构对比：
由于两种结构均是利用耗尽型NPMOS管，所以在正向偏置电压下的导通特性相同，即正向偏置电压下保证耗尽型NMOS管M1、PMOS管M2常开；
1.M1、M2关闭电压：
反向偏置电压下，对于图1，Vgs,p=V’-Vsd,n，Vgs,n=-(V’-Vds,p)，同时满足Vsd,n>0，Vds,p>0，而对于图2，Vgs,p=V’，Vgs,n=-V’，反向偏置电压直接加载在M1、M2的栅极和源极两端，随着反向偏置电压V’的增加，图2所示的NP沟道互补耗尽型MOS管整流二极管能够在更小的反向偏置电压下实现对M1、2的关断以提供肖特基二极管D1的保护；
2.整流二极管的反向漏电流分析：
根据半导体相关知识，低开启电压的肖特基二极管D1的反向饱和漏电流很大，一般大于NPMOS管的反向饱和漏电流。上述分析可以得到图1电路结构中的M1和M2关闭时需要更大的反向偏置电压，当反向偏置电压V’=Vth时，图2电路结构中M1和M2关断，而图1中M1和M2依然保持开启并且提供肖特基二极管D1的电流通路，所以对于图1中存在一定电压范围，对应的整流二极管的反向漏电流大于图2所示二极管的漏电流。
实施例3
如图3所示的一种基于NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管，包括n个耗尽型NMOS管M11-M1n、n个耗尽型PMOS管M21-M2n以及1个低开启电压的肖特基二极管D1，n个耗尽型NMOS管M11-M1n串联在一起，即M11的源极与M12的漏极相连，M12的源极与M13的漏极相连，以此类推，M1n的源极作为MOSFET整流二极管的输出负极，M11的漏极接二极管D1的负极；n个耗尽型PMOS管M21-M2n串联在一起，即M21的源极与M22的漏极相连，M22的源极与M23的漏极相连，以此类推，M2n的源极作为MOSFET整流二极管的输入正极，M11-M1n之间的栅极连接在一起后接M2n的源极，M21-M2n之间的栅极连接在一起后接M1n的源极，M11漏极接二极管D1负极，M21漏极接二极管D2正极。
作为实施例2结构的一种延拓，正向偏置电压V加载在其两端时，
Vsd,p1+Vsd,p2+…+Vsd,pN+Vd+Vds,n1+Vds,n2+…+Vds,nN=V
所以对于M2有
Vgs,p1=-V
Vgs,p2=-V+Vsd,p1
Vgs,pN=-V+Vsd,p1+…+Vsd,p(N-1)
对于M1有
Vgs,n1=V
Vgs,n2=V-Vds,n1
Vgs,nN=V-Vds,n1-…-Vds,n(N-1)
电流路径的分压：Vsd,p1+Vsd,p2+…+Vsd,pN+Vd+Vds,n1+Vds,n2+…+Vds,nN=V，所以
V>Vsd,p1+Vsd,p2+…+Vsd,Pn
V> Vds,n1+Vds,n2+…+Vds,nN
对于任意电路延拓下的N，NPMOSFET满足Vgs,pN<0，Vgs,nN>0，所以耗尽型NPMOSFET的互补耗尽型电路延拓依然满足正向偏置条件下电路导通。
反向偏置电压V’条件下，
Vds,p1+Vds,p2+…+Vds,pN+Vd’+Vsd,n1+Vsd,n2+…+Vsd,nN=V’
所以对于M2有
Vgs,p1=V’
Vgs,p2=V-Vds,p1
Vgs,pN=V-Vds,p1-…-Vds,p(N-1)
对于M1有
Vgs,n1=-V’
Vgs,n2=-V’+Vsd,n1
Vgs,nN=-V’-Vsd,n1-…-Vsd,n(N-1)
电流路径分压Vds,p1+Vds,p2+…+Vds,pN+Vd’+Vsd,n1+Vsd,n2+…+Vsd,nN=V’
由上述栅、源极的电压关系看最先关断的是最外围的NPMOSFET，到MOSFET全部关闭时将提供给D1足够大的反向保护电压，即
Vbr=Vsd,n1|br+…+Vsd,nN|br+VD1|br+Vds,p1|br+…+ Vds,pN|br
=N*(Vsd,n|br+ Vds,p|br)+ VD1|br。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管，其特征在于，包括耗尽型NMOS管M1、耗尽型PMOS管M2以及具有低开启电压的肖特基二极管D1，所述耗尽型NMOS管M1的漏极接二极管D1的负极侧，所述耗尽型PMOS管M2的漏极接二极管D1的正极侧，所述耗尽型NMOS管M1的栅极接二极管D1的正极侧，所述耗尽型PMOS管M2的栅极接二极管D1的负极侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管，其特征在于，所述耗尽型NMOS管M1的漏极接二极管D1的负极，耗尽型NMOS管M1的源极作为NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管的输出负极，所述耗尽型PMOS管的漏极接二极管的正极，耗尽型PMOS管的源极作为NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管的输入正极。
3.根据权利要求2所述的一种基于NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管，其特征在于，所述耗尽型NMOS管M1的栅极接二极管D1的正极，所述耗尽型PMOS管M2的栅极接二极管D1的负极。
4.根据权利要求2所述的一种基于NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管，其特征在于，所述耗尽型NMOS管M1的栅极接耗尽型PMOS管M2的源极，所述耗尽型PMOS管M2的栅极接耗尽型NMOS管M1的源极。
5.根据权利要求2所述的一种基于NP沟道互补耗尽型MOSFET整流二极管，其特征在于，所述耗尽型NMOS管设置有若干个，且相互之间串联接在一起，即上一耗尽型NMOS管的源极接下一耗尽型NMOS管的漏极，所有耗尽型NMOS管的栅极连接在一起后接MOSFET整流二极管的输入正极；所述耗尽型PMOS管设置有若干个，且相互之间串联接在一起，即上一耗尽型PMOS管的漏极接下一耗尽型PMOS管的源极，所有耗尽型PMOS管的栅极连接在一起后接MOSFET整流二极管的输出负极。
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