專利名稱：一種可快速關斷耗盡型開關器件的驅(qū)動電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種耗盡型功率開關器件的驅(qū)動電路，主要應用于開關電源或開關功
率變換器，確切地說是一種可快速關斷耗盡型開關器件的驅(qū)動電路。
背景技術：
在已有技術中，由于場效應功率開關器件具有驅(qū)動容易、開關速度快等特點而在 功率變換領域得到廣泛應用。場效應功率開關器件可分為增強型和耗盡型兩類，但目前開 關電源或開關功率變換器中所用的場效應功率開關器件大都是增強型開關器件，它的開通 和關斷是由控制驅(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，當控制驅(qū)動電路輸出約15V的高電平時，增強型開關器件開通， 當輸出為接近OV的低電平時，增強型開關器件截止，故現(xiàn)有的控制驅(qū)動電路僅適用于控制 增強型開關器件。 近年來，由于半導體氮化鎵開關器件具有諸多優(yōu)異的性能特點，如開關速度快、導 通內(nèi)阻低、耐壓高等，因而受到業(yè)界廣泛關注。但限于目前的制造工藝，氮化鎵開關器件只 能做成耗盡型開關器件。耗盡型開關器件的特點是在其柵、源極間電壓接近零時就能導通， 只有當其柵、源極間負電壓達到一定值時才能關斷，這就給控制帶來困難，如果將其直接應 用于現(xiàn)有的開關電源或開關功率變換器中，將會出現(xiàn)不能關斷的情況。要想將性能優(yōu)良的 耗盡型氮化鎵開關器件應用于現(xiàn)有開關電源或開關功率變換器，首先應解決耗盡型開關器 件的開、關控制問題。本申請人在先申請的中國專利"一種能可靠關斷的增強-耗盡型器件 組合開關電路(申請?zhí)?01010112286. 4)"較好地解決了耗盡型開關器件的開、關控制問 題，能可靠關斷耗盡型氮化鎵開關器件。但其關斷速度不夠快，因為該組合開關器件的關斷 速度取決于流過耗盡型開關器件電流的大小，而該電流的大小又取決于電路負載的大小， 又由于在負載較輕時，流過耗盡型開關器件的電流較小，使得向增強型開關器件漏、源極間 等效電容的充電電流也較小，從而導致耗盡型開關器件的關斷速度緩慢，使氮化鎵開關器 件開關速度快的特點難以發(fā)揮。因此，氮化鎵開關器件要獲得工程應用并充分發(fā)揮其開關 速度快的優(yōu)異性能，還應解決其快速關斷的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對已有技術中存在的問題，提供一種可快速關斷耗盡型開關器
件的驅(qū)動電路，旨在解決耗盡型開關器件可控性的同時重點解決其快速關斷的問題，其次
是解決耗盡型開關器件的快速開通和驅(qū)動電路的安全可靠性問題，從而使耗盡型開關器件
能夠更好地應用于開關電源和開關變換器中。 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下 它主要包括一個P溝道增強型開關器件、一個N溝道增強型開關器件和接在該兩 個開關器件柵極上的電阻，所述的P溝道增強型開關器件的漏極與N溝道增強型開關器件 的漏極相接，所述P溝道增強型開關器件的源極直接或者通過一個電阻接在本驅(qū)動電路的供電電源上，所述N溝道增強型開關器件的源極直接或者通過一個電阻接到電路的參考 地，所述P溝道增強型開關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 溝道增強型開關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)明進一步改進的技術方案如下 在所述P溝道增強型開關器件的柵極電阻上并聯(lián)一個二極管，該二極管的陰極與 P溝道增強型開關器件的柵極相接，其陽極與控制信號的輸入端相接，在所述N溝道增強型 開關器件的柵極電阻上并聯(lián)另一個二極管，該二極管的陽極與N溝道增強型開關器件的柵 極相接，其陰極與控制信號的輸入端相接。 通過上述技術方案可以看出，本發(fā)明將P溝道和N溝道兩個增強型開關器件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通，并將N溝道增強型開關器件Q2 的漏、源極間電壓反向加在耗盡型開關器件Q3的柵、源極間來控制耗盡型開關器件的開通 和關斷。該驅(qū)動電路的特點是在控制耗盡型開關器件關斷時通過兩個支路的電流同時向N 溝道開關器件Q2的漏、源極間寄生電容充電，其中一個支路的電流是由電源電壓VCC通過P 溝道增強型開關器件Q1直接提供，它不受電路負載變化的影響，可使充電電壓快速達到耗 盡型開關器件所需的柵、源極間的關斷負電壓，使其快速關斷，并在耗盡型開關器件關斷時 仍可通過P溝道增強型開關器件Ql繼續(xù)向N溝道開關器件Q2的漏、源極間寄生電容充電， 確保了耗盡型開關器件的可靠徹底關斷。本發(fā)明進一步的改進之一是在兩個增強型開關器 件的柵極電阻上分別并聯(lián)二極管， 一是可加速N溝道增強型開關器件Q2的快速導通，加快 耗盡型開關器件的開通速度；二是可避免兩個開關器件在開、關轉(zhuǎn)換時的瞬間同時導通而 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器件的 快速開通和快速關斷問題，特別是快速關斷問題，能充分發(fā)揮耗盡型氮化鎵開關器件開、關 速度快的特點，同時，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)明應用于升壓型DC-DC開關電源的電路原理圖。
具體實施例方式
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說明。
實施例1 參見圖1 ，本驅(qū)動電路由一個P溝道增強型開關器件Ql (以下簡稱P溝道器件)和 一個N溝道增強型開關器件Q2(以下簡稱N溝道器件)和接在該兩個開關器件柵極上的電 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與耗盡型開關器件Q3源極S相接， N溝道器件的源極S與耗盡型開關器件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。當控制驅(qū)動電路1輸出高電平時，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，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，當該充電電壓達到其導通電壓時，則N溝道 器件Q2導通，Q2的漏、源極間電壓接近零，使得耗盡型開關器件Q3導通。當控制驅(qū)動電路 1輸出低電平時，N溝道器件Q2的柵極G被置為低電平，則Q2截止；與此同時，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，當該充電電壓達到Ql的導通電壓時，Q1導通，則電源VCC經(jīng)Ql提供的電流和流經(jīng)耗 盡型開關器件(此時還未關斷)的電流同時向N溝道開關器件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， 當增加到Q3的關斷負電壓時，Q3關斷。耗盡型開關器件Q3關斷后，P溝道開關器件Ql保 持導通狀態(tài)，VCC繼續(xù)向N溝道開關器件Q2的漏、源極間寄生電容充電，從而保證了 Q3關 斷所需的負電壓，確保Q3的可靠徹底關斷。 通過上述工作原理可以看出，在耗盡型開關器件Q3的關斷過程中，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載的影響，可使Q2漏、 源極間充電電壓快速達到Q3的關斷電壓，從而使Q3快速關斷。由此可見，本驅(qū)動電路不僅
實現(xiàn)了耗盡型開關器件開通與關斷的控制，同時，還具有快速關斷耗盡型開關器件的特點。
實施例2 參見圖2，本例在實施例1的基礎上，在P溝道增強型開關器件Q1的柵極電阻R1 上并聯(lián)一個二極管D1，該二極管D1的陰極與P溝道增強型開關器件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溝道增強型開關器件Q2的柵極電阻R2上并聯(lián)另一 個二極管D2，該二極管D2的陽極與N溝道增強型開關器件Q2的柵極相接，其陰極與控制信 號的輸入端A相接。 其工作原理是當控制驅(qū)動電路1輸出高電平時，二極管D1導通，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，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，當該充 電電壓達到柵、源極間的導通電壓時，則N溝道器件Q2導通，繼而使耗盡型開關器件Q3導 通。當控制驅(qū)動電路1輸出低電平時，二極管D2導通，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，低電平將P溝道器件Q1的柵極電位拉低， Ql導通，則電源VCC經(jīng)Ql提供的電流和流經(jīng)耗盡型開關器件Q3 (此時還未關斷)的電流同 時向N溝道器件Q2的漏、源極間寄生電容充電，當該充電電壓達到Q3的關斷電壓時，Q3關 斷。 通過上述工作原理可以看出，在高電平控制耗盡型開關器件Q3開通的過程中，高 電平可以通過導通的二極管D1立即加到Q1的柵極，使Q1快速關斷，由于Q1的快速關斷， 可使Q2快速導通(因為為避免兩個開關Q1、Q2串聯(lián)直通，Q2最好在Ql關斷后導通，故Q1 快速關斷后，Q2就可在其之后快速導通)，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器件的特點。 另外，通過設置二極管D1、 D2還可避免兩個開關器件的串聯(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，對于Ql來說，該高電平通過導通的二極管Dl快 速加到Ql柵極，使Ql迅速關斷，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，當該充電電壓達到Q2的導通電壓時才導通，確保Q2在Ql關斷后滯后導通， 從而避免了該支路電流直通；同理，在低電平到來時，對于Q2來說，該低電平通過導通二極 管D2快速將Q2的柵極拉到低電平，則Q2迅速關斷，而對于Ql來說，當?shù)碗娖綄㈦娮鑂l的 一端置低時，電源VCC通過電阻R1向Q1的柵、源極間寄生電容充電，當該充電電壓達到Q1 的導通電壓時才導通，也確保了 Ql在Q2關斷后才導通，從而也避免了兩個開關器件的串聯(lián) 直通。 實施例3 參見圖3，為了進一步提高本驅(qū)動電路的安全性和可靠性，在所述的P溝道增強型 開關器件Q1的源極上串聯(lián)一個限流電阻R3，以限制流過開關器件Q1的最大電流。
實施例4 參見圖4，為了進一步提高本驅(qū)動電路的實用性，可在所述的N溝道增強型開關器 件Q2的源極上串聯(lián)一個電流采樣電阻Rs，通過該采樣電阻Rs可以對流過開關器件的電流 進行采樣，并可通過外部的控制電路對其實施保護或?qū)﹄娏鬟M行控制，使其工作在安全電 流下。 實施例5 參見圖5，圖中給出了一個本驅(qū)動電路的應用實例，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，它和耗盡型開關器件Q3可以替代原有的增 強型開關器件，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斷的功能。 實驗表明，本發(fā)明不僅能使該變換器正常工作，且開關性能優(yōu)越、工作安全可靠。
權利要求
一種可快速關斷耗盡型開關器件的驅(qū)動電路，其特征是它主要包括一個P溝道增強型開關器件(Q1)、一個N溝道增強型開關器件(Q2)和接在該兩個開關器件柵極上的電阻(R1和R2)，所述的P溝道增強型開關器件(Q1)的漏極(D)與N溝道增強型開關器件(Q2)的漏極(D)相接，所述P溝道增強型開關器件(Q1)的源極(S)直接或者通過一個電阻(R3)接在本驅(qū)動電路的供電電源(VCC)上，所述N溝道增強型開關器件(Q2)的源極(S)直接或者通過一個電阻(Rs)接到電路的參考地，所述P溝道增強型開關器件(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溝道增強型開關器件(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)權利要求1所述的可快速關斷耗盡型開關器件的驅(qū)動電路，其特征是在所述 P溝道增強型開關器件(Ql)的柵極電阻(Rl)上并聯(lián)一個二極管(Dl)，該二極管(Dl)的陰 極與P溝道增強型開關器件(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溝道增強型開關器件(Q2)的柵極電阻(R2)上并聯(lián)另一個二極管(D2)，該二極管(D2) 的陽極與N溝道增強型開關器件(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斷耗盡型開關器件的驅(qū)動電路。它主要由一個P溝道增強型開關器件、一個N溝道增強型開關器件和接在該兩個開關器件柵極上的電阻組成，并且P溝道增強型開關器件的漏極與N溝道增強型開關器件的漏極相接。該兩個開關器件在脈沖寬度調(diào)制信號的控制下交替導通，并將N溝道增強型開關器件的漏、源極間電壓反向加在耗盡型開關器件的柵、源極間來控制耗盡型開關器件的開通和關斷。本驅(qū)動電路的特點是可快速開通和快速關斷耗盡型開關器件。不僅解決耗盡型開關器件用于現(xiàn)有開關電源或開關功率變換器的驅(qū)動問題，同時還解決了耗盡型開關器件的快速關斷問題。
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