一种耗尽型功率器件的直驱电路的制作方法

1.本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种耗尽型功率器件的直驱电路。


背景技术：

2.第三代半导体材料gan(氮化镓)，是宽禁带半导体的杰出代表。gan的禁带宽带是si硅的3倍，击穿电场是si的10倍。因此，氮化镓制作的功率器件具有开关速度快，导通电阻低，芯片面积小等显著特点，广泛适用于电源适配器、工业电源和汽车电子等领域。
3.gan功率器件一般分常开型(耗尽型)和常闭型氮化镓(增强型)。增强型器件驱动电压范围窄，一般需要专门驱动ic(integrated circuit，集成电路)来驱动，同时沟道电流能力比较弱，其应用受到一定限制；耗尽型gan功率器件电流能力强，可靠性高，但需要负压关断，一般需要和低压si器件级联使用形成常闭特性，如图1所示。级联型gan器件需要低压si mosfet器件和耗尽型gan功率器件级联使用形成常闭特性，但是低压si器件存在反向恢复电荷，会带来开关损耗，系统效率降低，同时级联型gan器件的驱动不是直接驱动gan器件，而是直接驱动低压si器件，低压si的结电容大，需要大的驱动能力的ic来驱动，同时驱动低压si器件也降低了开关器件的开关速度；也就是说传统的gan级联结构并不能充分发挥gan的无反向恢复损耗、开关速度快的优势。
4.同时级联型gan器件存在低压si mosfet和耗尽型gan输出电容不匹配的问题，在高频开关中有失效风险。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种耗尽型功率器件的直驱电路，可直接驱动耗尽型功率器件，提高驱动速度并降低驱动损耗。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种耗尽型功率器件的直驱电路，所述耗尽型功率器件的直驱电路包括：
8.驱动电路，vcc端与供电电压连接；
9.耗尽型功率器件，栅极与所述驱动电路的输出端连接；
10.p型金属-氧化物半导体场效应晶体管mosfet，源极与所述耗尽型功率器件的源极连接；
11.供电电压检测电路，第一输出端与所述p型mosfet的栅极连接，输入端与所述供电电压连接；
12.第一二极管，正极连接至所述驱动电路的输出端与所述耗尽型功率器件的栅极之间，负极与所述p型mosfet的漏极连接；
13.第一电容，一端与所述驱动电路的接地端连接，另一端连接至所述耗尽型功率器件的源极与所述p型mosfet的源极之间；
14.第一电阻，一端连接至所述第一电容与所述耗尽型功率器件的源极之间，另一端连接至所述供电电压检测电路的输出端与所述p型mosfet的栅极之间；
15.在所述供电电压大于设定阈值时，所述p型mosfet导通，所述耗尽型功率器件的源极为供电电压，在所述驱动电路输出高电平时，所述耗尽型功率器件的栅极为高电平，所述耗尽型功率器件导通，在所述驱动电路输出低电平时，所述耗尽型功率器件的栅极为低电平，耗尽型功率器件关断。
16.可选地，所述耗尽型功率器件为耗尽型氮化镓器件。
17.可选地，所述供电电压检测电路包括：稳压二极管、第二电阻、第三电阻以及三极管；
18.所述稳压二极管的负极与所述供电电压连接；
19.所述第二电阻的一端与所述稳压二极管的正极连接，所述第二电阻的另一端与所述第三电阻的一端连接；
20.所述第三电阻的另一端接供电地；
21.所述三极管的基极连接至所述第二电阻与所述第三电阻之间；所述三极管的集电极与所述p型mosfet的栅极连接；所述三极管的发射极接供电地。
22.可选地，所述耗尽型功率器件的直驱电路还包括：
23.开关管，一端与所述供电电压连接，另一端连接至所述耗尽型功率器件的源极与所述p型mosfet的源极之间。
24.可选地，所述耗尽型功率器件的直驱电路还包括：电流隔离检测电路及反向电流检测电路；
25.所述电流隔离检测电路的输入端与所述p型mosfet的漏极串联，所述电流隔离检测电路的输出端与所述反向电流检测电路连接，所述电流隔离检测电路用于检测负载电流的流向以及正向电流的大小；
26.所述反向电流检测电路的一端与所述电流隔离检测电路的输出端连接，所述反向电流检测电路的另一端与所述驱动电路连接，所述反向电流检测电路用于在负载电流从所述p型mosfet的漏极流向所述耗尽型功率器件的源极时，产生开通信号，使所述驱动电路输出高电平，使耗尽型功率器件导通，并在正向电流超过电流阈值时，产生限制信号，限制所述驱动电路的输出脉宽。
27.可选地，所述开关管为第二二极管。
28.可选地，所述耗尽型功率器件的直驱电路还包括：
29.第四电阻，一端与所述驱动电路的使能端连接，另一端与供电电路检测电路的第二输出端连接；
30.第二电容，一端连接至所述第四电阻与所述驱动电路之间，另一端接供电地；
31.第三电容，一端连接至所述第一电容与所述耗尽型功率器件的源极之间，另一端连接至所述供电电压检测电路的输出端与所述p型mosfet的栅极之间；
32.在所述供电电压大于设定阈值时，所述供电电路检测电路的第一输出端输出低阻抗，使p型mosfet导通，所述供电电路检测电路的第二输出端输出使能信号，使所述驱动电路的输出跟随输入端的信号而放大；
33.在所述驱动电路输出高电平时，耗尽型功率器件开通，在所述驱动电路输出低电平时，耗尽型功率器件关断。
34.可选地，所述耗尽型功率器件的直驱电路还包括：电流隔离检测电路及反向电流
检测电路；
35.所述电流隔离检测电路的输入端与所述p型mosfet的漏极串联，所述电流隔离检测电路的输出端与所述反向电流检测电路连接，所述电流隔离检测电路用于检测负载电流的流向以及正向电流的大小；
36.所述反向电流检测电路的一端与所述电流隔离检测电路的输出端连接，所述反向电流检测电路的另一端与所述驱动电路连接，所述反向电流检测电路用于在负载电流从所述p型mosfet的漏极流向所述耗尽型功率器件的源极时，产生开通信号，使所述驱动电路输出高电平，使耗尽型功率器件导通，并在正向电流超过电流阈值时，产生限制信号，限制所述驱动电路的输出脉宽。
37.可选地，所述耗尽型功率器件、所述p型mosfet、所述第一二极管及所述第一电阻合封为一体。
38.可选地，所述驱动电路、所述耗尽型功率器件、所述p型mosfet、所述供电电压检测电路、所述第一二极管、所述第一电容、所述第三电容、所述第一电阻、所述第四电阻及所述第二电容合封为一体。
39.可选地，所述驱动电路、所述耗尽型功率器件、所述p型mosfet、所述供电电压检测电路、所述第一二极管、所述开关管、所述第一电容、所述第一电阻、所述电流隔离检测电路及反向电流检测电路合封为一体。
40.可选地，所述驱动电路、所述耗尽型功率器件、所述p型mosfet、所述供电电压检测电路、所述第一二极管、所述第一电容、所述第二电容、所述第三电容、所述第一电阻、所述第四电阻、所述电流隔离检测电路及所述反向电流检测电路合封为一体。
41.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：通过驱动电路直接驱动耗尽型功率器件，驱动电路输出高电平时直接打开耗尽型功率器件，驱动电路输出低电平时关断耗尽型功率器件，跟一般的si mosfet驱动类似，由于是直接驱动功率器件，驱动速度快，驱动损耗低，且系统开关损耗小；另外，工作时级联的p型mosfet是常导通状态，因此不会产生反向恢复损耗。也不存在图1所示级联型结构中输出电容匹配的问题。
附图说明
42.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1为耗尽型gan器件常见的cascode连接以实现高频应用的示意图；
44.图2为本发明耗尽型氮化镓器件的直驱电路的第一种结构示意图；
45.图3为本发明耗尽型氮化镓器件的直驱电路的第二种结构示意图；
46.图4为本发明耗尽型氮化镓器件的直驱电路的第三种结构示意图；
47.图5为本发明耗尽型氮化镓器件的直驱电路的第四种结构示意图；
48.图6为本发明耗尽型氮化镓器件的直驱电路的第五种结构示意图；
49.图7为将耗尽型氮化镓器件、p型mosfet、第一二极管以及电阻进行合封的示意图；
50.图8为将耗尽型氮化镓器件、p型mosfet、第一二极管、第二二极管以及电阻进行合
封的示意图；
51.图9为将图4的电路结构进行合封的示意图；
52.图10为将图5的电路结构进行合封的示意图；
53.图11为将图6的电路结构进行合封的示意图。
54.符号说明：
55.耗尽型功率器件-s1，p型mosfet-s2，第一二极管-d1，第二二极管-d2，第一电容-c1，第二电容-c2，第三电容c3，第一电阻-r1，第二电阻-r2，第三电阻-r3，第四电阻-r4，稳压二极管-zener，三极管-s3，驱动电路-1，供电电压检测电路-2，电流隔离检测电路-3，反向电流检测电路-4，耗尽型gan功率器件-ss1，低压si mosfet器件-ss3。
具体实施方式
56.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.本发明的目的是提供一种耗尽型功率器件的直驱电路，通过驱动电路直接驱动耗尽型功率器件，驱动电路输出高电平时直接打开耗尽型功率器件，驱动电路输出低电平时关断耗尽型功率器件，跟一般的si mosfet驱动类似，由于是直接驱动功率器件，驱动速度快，驱动损耗低，且系统开关损耗小；另外，工作时级联的p型mosfet是常导通状态，因此不会产生反向恢复损耗，即整体的反向恢复电荷为0，反向恢复损耗为0。也不存在耗尽型功率器件输出电容匹配的问题。
58.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
59.如图2所示，本发明耗尽型功率器件的直驱电路包括：驱动电路1、耗尽型功率器件s1、p型mosfets2、供电电压检测电路2、第一二极管d1、第一电容c1以及第一电阻r1。在本实施例中，所述耗尽型功率器件s1为耗尽型氮化镓器件。另外，所述耗尽型功率器件s1还可以是耗尽型sic器件。
60.所述耗尽型功率器件的直驱电路还包括开关管。开关管的一端与所述供电电压连接，另一端连接至所述耗尽型功率器件的源极与所述p型mosfet的源极之间。在本实施例中，所述开关管为第二二极管d2。
61.具体地，所述驱动电路1的vcc端与供电电压连接。
62.所述耗尽型功率器件s1的栅极与所述驱动电路1的输出端连接。
63.所述p型mosfet的源极与所述耗尽型功率器件s1的源极连接。
64.所述供电电压检测电路2的第一输出端与所述p型mosfet的栅极连接，所述供电电压检测电路2的输入端与所述供电电压连接。
65.所述第一二极管d1的正极连接至所述驱动电路1的输出端与所述耗尽型功率器件s1的栅极之间，所述第一二极管d1的负极与所述p型mosfet的漏极连接。
66.所述第一电容c1的一端与所述驱动电路1的接地端连接，所述第一电容c1的另一端连接至所述耗尽型功率器件s1的源极与所述p型mosfet的源极之间。
67.所述第一电阻r1的一端连接至所述第一电容c1与所述耗尽型功率器件s1的源极之间，所述第一电阻r1的另一端连接至所述供电电压检测电路2的输出端与所述p型mosfet的栅极之间。
68.耗尽型功率器件s1需要负压关断。p型mosfet需要负压开通(阈值电压为负)，正压关断。
69.当没有供电电压vcc时，检测电路的输出为高阻抗，第一电阻r1两端电压为0，即p型mosfet s2的栅源电压为0，所以p型mosfet处于关断状态。同时由于第一二极管d1的作用，使耗尽型功率器件s1与p型mosfet s2等效为级联结构，drain与source之间处于关断状态。
70.同样地，当驱动电路1的供电电压开始建立，并且供电电压vcc小于设定阈值之前，检测电路的输出为高阻抗，第一电阻r1两端电压为0，即p型mosfet s2的栅源电压为0，所以p型mosfet s2处于关断状态，drain与source之间处于关断状态。
71.在所述供电电压大于设定阈值时，输出阻抗为低阻抗或为0阻抗，所述p型mosfet导通，所述耗尽型功率器件s1的源极为供电电压，在所述驱动电路1输出高电平时，所述耗尽型功率器件s1的栅极为高电平，所述耗尽型功率器件s1导通，在所述驱动电路1输出低电平时，所述耗尽型功率器件s1的栅极为低电平，耗尽型功率器件s1关断。
72.进一步地，如图3所示，所述供电电压检测电路包括：稳压二极管zener、第二电阻r2、第三电阻r3以及三极管s3。
73.其中，所述稳压二极管的负极与所述供电电压连接。
74.所述第二电阻r2的一端与所述稳压二极管的正极连接，所述第二电阻r2的另一端与所述第三电阻r3的一端连接。
75.所述第三电阻r3的另一端接地。
76.所述三极管s3的基极连接至所述第二电阻r2与所述第三电阻r3之间。所述三极管s3的集电极与所述p型mosfet的栅极连接。所述三极管s3的发射极接供电电压vcc的地。
77.此外，供电电压检测电路可以用多种电路表示。第一电阻r1两端也可以并联一个电容以抑制高频干扰。供电电压检测电路也可以和驱动电路集成为一个ic。
78.具体地，当供电电压vcc升高到大于设定阈值后，三极管s3导通，f点被拉到低电位，此时p型mosfet s2的栅源电压为负值，p型mosfet s2导通，此时耗尽型功率器件s1的开通关断由驱动电路的输出out决定。
79.由于供电电压vcc通过第二二极管d2与耗尽型功率器件s1的源极直接连接，所以耗尽型功率器件s1的源极为vcc电平，当驱动电路1输出为高电平时，耗尽型功率器件s1的栅极为高电平vcc，所以耗尽型功率器件s1的栅源电压差为0v，耗尽型功率器件s1开通，当驱动电路1的输出为低电平0时，耗尽型功率器件s1的栅极为低电平0v，耗尽型功率器件s1的栅源电压差为-vcc(-vcc《vth)，所以耗尽型功率器件s1关断。
80.因此驱动电路能够直接驱动耗尽型功率器件。也就是说当vcc建立后驱动电路是直接驱动耗尽型功率器件的，驱动电路输出为0电平，关断耗尽型功率器件，驱动电路输出为高电平时，开通耗尽型功率器件。
81.如图4所示，所述耗尽型功率器件的直驱电路还包括第四电阻r4。第四电阻的一端与所述驱动电路的使能端连接，另一端与供电电路检测电路的第二输出端连接。
82.在所述供电电压大于设定阈值时，所述供电电路检测电路2的第一输出端输出低阻抗，使p型mosfet导通，所述供电电路检测电路2的第二输出端输出使能信号，使所述驱动电路1的输出跟随输入端in的信号。
83.在所述驱动电路1输出高电平时，耗尽型功率器件s1开通，在所述驱动电路1输出低电平时，耗尽型功率器件s1关断。
84.所述耗尽型功率器件的直驱电路还包括第二电容c2。第二电容c2的一端连接至所述第四电阻r4与所述驱动电路之间，另一端接供电vcc的地。
85.所述耗尽型功率器件的直驱电路还包括第三电容c3。第三电容c3的一端连接至所述第一电容c1与所述耗尽型功率器件s1的源极之间，第三电容c3的另一端连接至供电电压检测电路2的输出端与所述p型mosfet的栅极之间。
86.当供电电压vcc低于设定阈值时，供电电压检测电路2的第一输出端out1 pin脚输出为高阻抗，第一电阻r1两端电压为0，p型mosfets2关断，同时第二输出端out2脚输出使能信号给驱动电路1的使能端en，使驱动电路1的输出为低电平，耗尽型功率器件s1处于关断状态。
87.当驱动电路1的供电电压vcc大于设定阈值时，vcc检测电路out1脚输出为低阻抗，第一电阻r1两端电压为正，p型mosfet的栅源电压为负，使p型mosfet导通，供电电路检测电路2的第二输出端out2输出使能信号，使驱动电路1的第一输出端out输出的信号跟随输入端in的信号。也就是说如果驱动电路1输出高电平vcc，耗尽型功率器件s1的栅源电压为0v，耗尽型功率器件开通；如果驱动电路1输出低电平0时，耗尽型功率器件s1的栅源电压为-vcc(-vcc《vth)，耗尽型功率器件s1关断。
88.因此，当供电电压vcc大于设定阈值后，驱动电路1是直接驱动耗尽型功率器件的，驱动电路1输出为0电平，关断耗尽型功率器件s1，驱动电路1输出为高电平时，开通耗尽型功率器件s1。
89.由于当耗尽型功率器件处于关断状态时，而负载电流从source反向流向drain时，由于耗尽型功率器件本身的特性，其关断状态下的反向导通压降比较大，而p型mosfet由于体二极管的存在，其反向导通压降也有0.7v左右，所以总的反向导通压降很高，导致的损耗也很大，所以为了降低反向导通压降，如图5和图6所示，所述耗尽型功率器件的直驱电路还包括电流隔离检测电路3及反向电流检测电路4。
90.具体地，所述电流隔离检测电路3的输入端与所述p型mosfet的漏极串联，所述电流隔离检测电路3的输出端与所述反向电流检测电路4连接，所述电流隔离检测电路3用于检测负载电流的流向以及正向电流的大小。
91.所述反向电流检测电路4的一端与所述电流隔离检测电路3连接，所述反向电流检测电路4的输出端与所述驱动电路1连接，所述反向电流检测电路4用于在负载电流从所述p型mosfet的漏极流向所述耗尽型功率器件s1的源极时，产生开通信号，使所述驱动电路1输出高电平，使耗尽型功率器件s1导通，并在正向电流超过电流阈值时，产生限制信号，限制所述驱动电路1的输出脉宽。
92.在本实施例中，负载电流从p型mosfet的漏极流向耗尽型功率器件的源极，即负载电流的流向为从source流向drain，反向电流检测电路3给驱动电路1发出开通信号来打开耗尽型功率器件s1，从而实现低的反向导通压降。
93.本发明能使耗尽型功率器件处于常闭状态，并且能直接驱动耗尽型功率器件，驱动电路输出高电平时直接打开耗尽型功率器件，驱动电路输出低电平时关断耗尽型功率器件，跟一般的si mosfet驱动类似。由于是直接驱动耗尽型功率器件，驱动速度快，驱动损耗低，系统开关损耗小。工作时级联的p型mosfet是常导通状态，因此不会产生反向恢复损耗，即整体的反向恢复电荷为0，反向恢复损耗为0。
94.同时本发明的低压p型mosfet在工作中是常导通的，所以不存在图1所示中耗尽型gan器件和低压silicon器件的电容不匹配的问题。
95.本发明还提供了对应的多种合封方案：
96.如图7所示，将耗尽型gan器件s1、p型mosfet s2、第一二极管d1以及一个电阻r合封在一起形成一个新的功率ic。
97.如图8所示，将耗尽型gan器件s1、p型mosfet s2、第一二极管d1、第二二极管d2以及一个电阻r合封在一起形成一个新的功率ic。
98.如图9所示，将图4的电路结构合封在一起，形成一个新的功率ic，只有5个pin脚，只需pwm信号脚，vcc供电脚，vcc的地信号脚，drain脚，source脚。
99.如图10所示，将图5的电路结构合封在一起，以解决反向导通压降过大的问题，从而形成一个新的功率ic，只有5个pin脚：pwm信号脚，vcc供电脚，vcc的地信号脚，drain脚，source脚。
100.如图11所示，将图6的电路结构合封在一起，以解决反向导通压降过大的问题，从而形成一个新的功率ic，只有5个pin脚：pwm信号脚，vcc供电脚，vcc的地信号脚，drain脚，source脚。
101.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。