CN109088533A - 一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型二极管拓扑结构设计。包括耗尽型金属氧化物半导体晶体管M₁~M_n、具有低开启电压特性肖特基二极管D₁以及晶体管栅极限流电阻R₁~R_n。M₁漏极连接D₁负极，M₁栅极通过串联限流电阻R₁连接D₁正极。晶体管M₁~M_n栅、漏极相连，即M_n漏极连接M_n‑1源极，从而M₁~M_n源、漏极构成电流通道。同时，M_n栅极通过串联限流电阻与M_n‑1漏极相连接，从而实现对栅、源极之间电压控制，使得M₁~M_n各晶体管漏、源极电流和电压一致性。本发明所提供新型二极管拓扑结构保持正向低开启电压、拓展反向截止电压以及减少反向漏电流等优势，可用于无线能量传输技术领域中超宽功率动态范围整流电路设计。

Description

一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构

技术领域

本发明涉及一种新型二极管拓扑结构，特别涉及基于无线能量传输应用中一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构。

背景技术

无线能量传输应用中，通常采用具有低开启电压肖特基二极管，来实现在低输入功率条件下高效率射频至直流功率转化。然而，受限于半导体工艺，二极管正向偏置低开启、反向偏置高击穿电压难以同时实现。因此，基于传统肖特基二极管设计的整流电路功率动态范围窄，难以满足某些需求宽功率动态范围的应用，包括医疗、消费电子等。

发明内容

本发的明目的是提供一种可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构。正向偏置电压条件下，肖特基二极管低开启电压特性不受影响；反向偏置电压条件下，击穿电压可根据晶体管数量任意拓展。

本发明的目的是这样实现的：一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构，包括具有较低开启电压肖特基二极管D₁，M₁~M_n耗尽型金属氧化物半导体场效应管（或高电子迁移率晶体管）以及连接在M₁~M_n栅极限流电阻R₁~R_n。所述一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构，M₁漏极连接D₁负极，M₁栅极串联限流电阻R₁并与D₁正极连接；M₁~M_n漏、源极交替连接，即M_n漏极连接M_n-1源极，以此类推；M_n栅极串联限流电阻R_n与M_n-1漏极相连接，以此类推；

一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构，正向偏置电压条件下，D₁低开启电压特性不受影响；反向偏置电压条件下，击穿电压可任意拓展，从而实现具有宽功率动态范围整流电路设计，包括以下步骤：

步骤1）正向偏置电压条件下，M₁~M_n栅、源极间电压V_gs > 0，因此M₁~M_n正向开启，漏、源极间电压为零。因此，所述新型二极管拓扑结构正向偏置电压条件下等效为D₁，其低开启电压特性不受影响；

步骤2）反向偏置电压条件下，限流电阻R₁~R_n限制栅、源极间电流，降低M₁~M_n源、栅极电压V_sg，从而避免M₁~M_n在其源、栅极反向击穿，保留所述新型二极管拓扑结构反向击穿时电流通道为M₁~M_n漏、源极电流通道；

步骤3）反向偏置电压条件下，在限流电阻R₁~R_n保护下，M₁~M_n栅极开路，从而D₁与M₁~M_n漏、源极构成反向电流通道；反向击穿前，所述新型二极管拓扑结构反向漏电流主要受M₁~M_n影响，远小于D₁击穿电流，从而D₁两端压降忽略不计；反向偏置电压加载在M₁~M_n源、漏极，因此反向击穿电压可以按照M₁~M_n数量任意拓展。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于，通过新颖的拓扑电路结构设计，可任意拓展反向击穿电压，并保持正向偏置电压下低开启电压特性。所述一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构，适用于无线能量传输电路设计，尤其是实现具有款功率动态范围、高效率整流电路设计。

本发明能够保证正向偏置电压条件下，维持低开启电压；反向偏置电压条件下，可以调控增加反向击穿电压。通过引入耗尽型金属氧化物半导体晶体管（或高电子迁移率晶体管）和具有低开启电压肖特基二极管，并进行特殊的电路结构设计，改善和拓展了肖特基二极管反向截止电压特性。该新型二极管拓扑结构，包括耗尽型金属氧化物半导体晶体管（或高电子迁移率晶体管）M₁~M_n（n代表使用的晶体管数量）、具有低开启电压特性肖特基二极管D₁以及晶体管栅极限流电阻R₁~R_n (n代表栅极限流电阻数量）。M₁漏极连接D₁负极，M₁栅极通过串联限流电阻R₁连接D₁正极。晶体管M₁~M_n栅、漏极相连，即M_n漏极连接M_n-1源极，从而M₁~M_n源、漏极构成电流通道。同时，M_n栅极通过串联限流电阻与M_n-1漏极相连接，从而实现对栅、源极之间电压控制，使得M₁~M_n各晶体管漏、源极电流和电压一致性。本发明所提供新型二极管拓扑结构保持正向低开启电压、拓展反向截止电压以及减少反向漏电流等优势，可用于无线能量传输技术领域中超宽功率动态范围整流电路设计。

附图说明

图1现有技术成果示意图；

图2具有栅极限流电阻改进型示意图；

图3 一种具有可拓展反向截止电压新型二极管拓扑结构；

图4 反向偏置电压条件下，图3所述拓扑结构等效电路图。

具体实施方式

下面结合实施例以及本发明工作原理作进一步说明。

图1是现有技术成果示意图，包括具有低开启电压的肖特基二极管D₁、耗尽型金属氧化物半导体场效应管（或高电子迁移率晶体管）M₁。M₁漏极连接D₁负极，同时M₁栅极连接D₁正极。假设M₁阈值电压为–V_th。在正向偏置电压V_f条件下，压降在D₁电压V_d以及M₁漏、源极电压V_ds满足：

如式（2）所示，正向偏置电压条件下，M₁开启。因此M₁漏、源极间压降为零，即V_ds = 0。根据公式（1），现有技术二极管拓扑结构中D₁低开启电压特性得以保持，如图1所示。

反向偏置电压V_r条件下，D₁电压V_{d_r}及M₁源、漏极电压V_sd满足：

随着反向偏置电压增加，M₁源、栅极间电压增加。当V_gs= –V_r < –V_th时，M₁关闭。M₁源、漏极反向漏电流远小于D₁击穿电流，因此D₁的压降V_{d_r}近似为零。式（3）（4）所示，V_r加载在M₁源、漏极以及M₁源、栅极，所以图1结构存在两种电压击穿路径，即M₁源、漏极，以及M₁源、栅极。随着反向偏置电压继续增加，超过M₁源、漏极以及M₁源、栅极能承担最大击穿电压时，M₁被击穿，导致反向电流上升，D₁也被击穿。因此，现有技术成果仅能提供D₁的保护电压为晶体管M₁的反向源、漏或源栅极击穿电压。

实施例1

图2所示是一种具有栅极限流电阻改进型二极管拓扑结构，包括具有低开启电压的肖特基二极管D₁、耗尽型金属氧化物半导体场效应管（或高电子迁移率晶体管）M₁以及M₁栅极限流电阻R₁。M₁漏极连接D₁负极，同时M₁栅极串联限流电阻R₁连接D₁正极。

正向偏置电压V_f条件下，D₁电压V_d及M₁晶体管漏、源极电压V_ds满足：

式（6）显示，M₁栅、源极电压V_gs > 0 > –V_th。因此，M₁开启，M₁漏、源极电压为零，即V_ds =0。根据公式（5），现有技术二极管拓扑结构中D₁低开启电压特性得以保持，如图2所示

反向偏置电压V_r条件下，D₁电压V_{d_r}，M₁源、漏极电压V_sd以及栅极限流电阻R₁上电压V_{R1_r}满足：

式（4）（8）所示，相比于现有技术成果，实施例1中的限流电阻R₁具有分担M₁栅、源极反向电压能力，从而防止M₁源、栅极反向击穿。因此，图2所示改进型二极管拓扑结构反向击穿电压为M₁源、漏极击穿电压。

实施例2

图3所示是一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构，包括具有较低开启电压肖特基二极管D₁，耗尽型金属氧化物半导体场效应管（或高电子迁移率晶体管）M₁~M_n，限流电阻R₁~R_n。M₁漏极连接D₁负极，同时M₁栅极串联限流电阻R₁连接D₁正极。M₁~M_n漏、源极顺序连接，即M_n漏极与M_n-1源极相连，以此类推。M_n栅极串联限流电阻R_n并与M_n-1漏极连接，以此类推。所述一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构正极为D₁正极，负极为M_n源极。

正向偏置电压V_f条件下，D₁电压V_d，M₁~M_n漏、源极电压V_{ds_M1}~V_{ds_Mn}以及R₁~R_n电压V_R1~V_Rn满足：

式（9）所示，D₁和M₁~M_n漏、源极分压，所以D₁及M₁~M_n漏、源极电压大于零，即V_d > 0，V_{ds_M1}~V_{ds_Mn} > 0。限流电阻R_n串联M_n栅极，V_{gs_Mn}、V_Rn极性相同。因此V_{gs_Mn} > 0、V_Rn> 0，M₁~M_n开启，M₁~M_n漏、源极压降为零。所述一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构等效为D₁，低开启电压特性得以保持，图3所示。

反向偏置电压V_r条件下，D₁电压V_{d_r}，M₁~M_n源、栅极电压V_{sg_M1}~V_{sg_Mn}及栅极限流电阻R₁~ R_n电压V_{R1_r}~V_{Rn_r}满足：

所述一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构反向漏电流远小于D₁击穿电流。因此，V_{d_r} = 0，所述一种具有可拓展反向截止电压新型二极管拓扑结构可以进一步简化，如图4所示。反向偏置电压被M₁~M_n分压。随着反向偏置电压增加，M₁~M_n同时截止，反向电压加载在M₁~M_n漏、源极交替分压上。同时，为了避免M₁~M_n源、栅极反向击穿，通过引入M₁~M_n栅极限流电阻R₁~R_n，从而实现对M₁~M_n栅、源极保护。因此，M₁~M_n漏、源击穿电压及所述新型二极管反向击穿电压。

Claims (5)

1.一种具有栅极限流电阻二极管拓扑结构，其特征在于，包括具有低开启电压的肖特基二极管D₁、耗尽型金属氧化物半导体场效应管M₁以及M₁栅极限流电阻R₁，M₁漏极连接D₁负极，同时M₁栅极串联限流电阻R₁连接D₁正极。

2.根据权利要求1所述的一种具有栅极限流电阻二极管拓扑结构，其特征在于，所述M₁或者可为高电子迁移率晶体管。

3.一种包含权利要求1或2所述结构的一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构，其特征在于，包括具有低开启电压肖特基二极管D₁，M₁~M_n耗尽型金属氧化物半导体场效应管以及连接在M₁~M_n栅极限流电阻R₁~R_n；

M₁漏极连接D₁负极，M₁栅极串联限流电阻R₁并与D₁正极连接；M₁~M_n漏、源极交替连接，即M_n漏极连接M_n-1源极，以此类推；M_n栅极串联限流电阻R_n与M_n-1漏极相连接，以此类推。

4.根据权利要求3所述的一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构，其特征在于，所述M₁~M_n或可为高电子迁移率晶体管。

5.根据权利要求3所述的一种具有可拓展反向击穿电压新型二极管拓扑结构，其特征在于，正极为D₁正极，负极为M_n源极。