一种低反向导通压降的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，特别是涉及一种低反向导通压降的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的禁带宽度是si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。
4.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；也就是说传统的级联结构由于不能直接驱动d mode gan器件，因此不能充分发挥gan无反向恢复损耗、开关速度快的优势。
5.同时级联型gan器件存在低压si mosfet和耗尽型gan输出电容不匹配问题，在高频开关中有失效的风险。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种低反向导通压降的耗尽型功率器件的直驱电路，可降低直驱电路的反向损耗，解决反向导通压降的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种低反向导通压降的耗尽型功率器件的直驱电路，所述低反向导通压降的耗尽型功率器件的直驱电路包括：驱动电路、耗尽型功率器件、第一p型金属-氧化物半导体场效应晶体管mosfet、供电电压检测电路、第二p型mosfet、二极管、电容、电流隔离检测电路及反向电流检测电路；
9.所述驱动电路的vcc端与供电电压连接；
10.所述耗尽型功率器件的栅极与所述驱动电路的输出端连接；
11.所述第一p型mosfet的源极与所述耗尽型功率器件的源极连接；
12.所述供电电压检测电路的输入端与所述供电电压连接，所述供电电压检测电路的输出端与所述第一p型mosfet的栅极连接；
13.所述第二p型mosfet的漏极与供电电压连接，所述第二p型mosfet的栅极连接至所述供电电压检测电路与所述第一p型mosfet的栅极之间，所述第二p型mosfet的源极连接至
所述耗尽型功率器件的源极与所述第一p型mosfet的源极之间；
14.所述二极管的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，所述二极管的负极与所述第一p型mosfet的漏极连接；
15.所述电容的一端与所述驱动电路的接地端连接，所述电容的另一端连接至所述耗尽型功率器件的源极与所述第一p型mosfet的源极之间；
16.所述电流隔离检测电路的输入端与所述第一p型mosfet的漏极串联，所述电流隔离检测电路用于检测所述第一p型mosfet的漏极处电流的流向以及正向电流的大小；
17.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根据第一p型mosfet的漏极处电流的流向及正向电流的大小，控制所述驱动电路的输出。
18.可选地，所述反向电流检测电路根据第一p型mosfet的漏极处电流的流向及正向电流的大小，控制所述驱动电路的输出，具体包括：
19.在第一p型mosfet的漏极处的电流从所述第一p型mosfet的漏极流向所述耗尽型功率器件的源极时，所述反向电流检测电路产生开通信号，所述开通信号用于使所述驱动电路输出高电平，并发送至所述驱动电路；
20.在正向电流超过电流阈值时，所述反向电流检测电路产生限制信号，所述限制信号用于限制所述驱动电路的输出脉宽，并发送至所述驱动电路。
21.可选地，所述低反向导通压降的耗尽型功率器件的直驱电路还包括第一电阻；
22.所述第一电阻的一端连接至所述电容与所述耗尽型功率器件的源极之间，所述第一电阻的另一端连接至所述供电电压检测电路的输出端与所述第一p型mosfet的栅极之间。
23.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；
24.所述稳压二极管的负极与所述供电电压连接；
25.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；
26.所述第三电阻的另一端接供电电压的地；
27.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第一p型mosfet的栅极连接；所述三极管的发射极接供电电压的地。
28.可选地，所述耗尽型功率器件为耗尽型氮化镓器件。
29.可选地，所述耗尽型功率器件为耗尽型碳化硅器件。
30.可选地，所述驱动电路、所述耗尽型功率器件、所述第一p型mosfet、所述供电电压检测电路、所述第二p型mosfet、所述二极管、所述电容、所述电流隔离检测电路、所述反向电流检测电路及所述第一电阻合封为一体。
31.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：通过在第一p型mosfet的漏极上串联电流隔离检测电路，通过电流隔离检测电路检测p型mosfet的漏极处电流的流向以及正向电流的大小；反向电流检测电路的一端与电流隔离检测电路的输出端连接，反向电流检测电路的另一端与驱动电路连接。通过反向电流检测电路根据p型mosfet的漏极处电流的流向及正向电流的大小，控制驱动电路的输出，降低了直驱电路的反向损
耗，解决了反向导通压降的问题。
附图说明
32.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。
33.图1为本发明低反向导通压降的耗尽型功率器件的直驱电路的结构示意图；
34.图2为供电电压检测电路的直驱方案结构示意图；
35.图3为图1的直驱电路的合封方案的示意图。
36.符号说明：
37.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，耗尽型功率器件-s1，第一p型mosfet-s2，第二p型mosfet-s4，二极管-d1，电容-c1，第一电阻-r1，第二电阻-r2，第三电阻-r3，稳压二极管-d2，三极管-s3。
具体实施方式
38.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。
39.本发明的目的是提供一种低反向导通压降的耗尽型功率器件的直驱电路，通过在第一p型mosfet的漏极上串联电流隔离检测电路，通过电流隔离检测电路检测p型mosfet的漏极处电流的流向以及正向电流的大小；反向电流检测电路的一端与电流隔离检测电路的输出端连接，反向电流检测电路的另一端与驱动电路连接，通过反向电流检测电路根据p型mosfet的漏极处电流的流向及正向电流的大小，控制驱动电路的输出，降低了直驱电路的反向损耗，解决了反向导通压降的问题。
40.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。
41.如图1所示，本发明低反向导通压降的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、第一p型mosfet s2、供电电压检测电路2、第二p型mosfet s4、二极管d1、电容c1、电流隔离检测电路3及反向电流检测电路4。所述耗尽型功率器件s1为耗尽型氮化镓器件或耗尽型碳化硅器件。耗尽型功率器件s1的栅源之间需要负压才能有效关断耗尽型功率器件的沟道。第一p型mosfet s2和第二p型mosfet s4的沟道需要栅源负压开通(阈值电压为负)，栅源正压关断。
42.其中，所述驱动电路1的vcc端与供电电压连接。
43.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。
44.所述第一p型mosfet s2的源极与所述耗尽型功率器件s1的源极连接。
45.所述供电电压检测电路2的输入端与所述供电电压连接，所述供电电压检测电路2的输出端与所述第一p型mosfet s2的栅极连接。
46.所述第二p型mosfet s4的漏极与供电电压连接，所述第二p型mosfet s4的栅极连接至所述供电电压检测电路2与所述第一p型mosfet s2的栅极之间，所述第二p型mosfet s4的源极连接至所述耗尽型功率器件s1的源极与所述第一p型mosfet的源极之间。
47.当供电电压vcc高于设定值时，第二p型mosfet s4导通，此时耗尽型功率器件s1的源极和供电电压vcc直接连接，使耗尽型功率器件s1的源极的电势等于等于驱动电路1的供电电压。
48.所述二极管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，所述二极管d1的负极与所述第一p型mosfet s2的漏极连接。
49.所述电容c1的一端与所述驱动电路1的接地端连接，所述电容c1的另一端连接至所述耗尽型功率器件s1的源极与所述第一p型mosfet s2的源极之间。在驱动电路1和耗尽型功率器件s1之间设置一个电容c1，使得耗尽型功率器件的源极对供电地之间的电压保持稳定，防止干扰。
50.所述电流隔离检测电路3的输入端与所述第一p型mosfet s2的漏极串联，所述电流隔离检测电路3用于检测所述第一p型mosfet s2的漏极处电流的流向以及正向电流的大小。
51.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的输出端连接，所述反向电流检测电路4的另一端与所述驱动电路1连接，所述反向电流检测电路4用于根据第一p型mosfet s2的漏极处电流的流向及正向电流的大小，控制所述驱动电路1的输出。
52.具体地，反向电流的检测可以通过电流互感器检测电流信号，然后通过一个电阻将电流信号转化为电压信号，如果电压信号为正值则为正向导通，否则为反向导通。或者电压信号为负值时为正向导通，否则为反向导通。另外反向电流的检测也可以通过电阻直接检测或通过其它磁场感应电路来检测，但不限于此，具体可根据不同的电路作调整。
53.具体地，所述反向电流检测电路4根据第一p型mosfet s2的漏极处电流的流向及正向电流的大小，控制所述驱动电路1的输出，具体包括：
54.在第一p型mosfet s2的漏极处的电流从所述第一p型mosfet s2的漏极流向所述耗尽型功率器件s1的源极时，所述反向电流检测电路4产生开通信号，所述开通信号用于使所述驱动电路1输出高电平，并发送至所述驱动电路1。
55.在正向电流超过电流阈值时，所述反向电流检测电路4产生限制信号，所述限制信号用于限制所述驱动电路1的输出脉宽，并发送至所述驱动电路1。
56.优选地，所述低反向导通压降的耗尽型功率器件s1的直驱电路还包括第一电阻r1。所述第一电阻r1的一端连接至所述电容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的输出端与所述第一p型mosfet s2的栅极之间。
57.具体地，如图2所示，所述供电电压检测电路包括：稳压二极管d2、第一电阻r2、第一电阻r3以及三极管s3。
58.其中，所述稳压二极管d2的负极与所述供电电压连接。
59.所述第一电阻r2的一端与所述稳压二极管d2的正极连接，所述第一电阻r2的另一端与所述第一电阻r3的一端连接。
60.所述第一电阻r3的另一端接供电电压的地。
61.所述三极管s3的基极连接至所述第一电阻r2与所述第一电阻r3之间；所述三极管s3的集电极与所述第一p型mosfet s2的栅极连接；所述三极管s3的发射极接供电电压的地。
62.当第一电阻r3两端的电压达到0.7v时，三极管s3导通，第一p型mosfet s2和第二p型mosfet s4的栅极被拉到地，第一电阻r1两端电压为vcc，此时第一p型mosfet s2和第二p型mosfet s4导通。
63.在供电电压低于某个设定值时，三极管s3处于关断状态，第一电阻r1两端电压为0，即第一p型mosfet s2、第二p型mosfet s4的栅源电压为0，所以第一p型mosfet s2和第二p型mosfet s4处于关断状态。同时由于二极管d1的作用，使第一p型mosfet s2和第二p型mosfet s4等效为级联结构，drain与source之间处于高阻抗的关断状态。具体地，设定值由zener二极管d1和第一电阻r2和第一电阻r3确定。
64.当供电电压升高到大于此设定值之后，三极管s3导通，f点被拉到低电位，第一电阻r1两端的电压为供电电压，此时第一p型mosfet s2和第二p型mosfet s4的栅源电压为-vcc，第一p型mosfet s2和第二p型mosfet s4导通，此时第一p型mosfet s2的开通和关断由驱动电路1的输出out决定。供电电压通过开通的第二p型mosfet s4和耗尽型功率器件s1的源极直接连接，所以耗尽型功率器件s1的源极为供电电压电平。
65.当驱动电路1的输出out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)vth为阈值电压，所以耗尽型功率器件s1关断。
66.所以驱动电路能够直接驱动耗尽型功率器件，也就是说当供电电压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器件。
67.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。
68.由于增加了反向电流隔离检测电路，能够检测到反向导通电流和过大的正向电流，并相应地开通功率管或者限制功率的脉宽，因此其反向导通损耗将大为降低，并限制过大的正向电流。
69.同时本发明驱动电路的供电电压vcc建立后，第一p型mosfet在工作中是常导通的，所以不存在耗尽型功率器件和低压silicon器件的电容不匹配的问题。
70.如图3所示，本发明还提供了一种合封方案：所述驱动电路1、所述耗尽型功率器件s1、所述第一p型mosfet s2、所述供电电压检测电路2、所述第二p型mosfet s4、所述二极管d1、所述电容c1、所述电流隔离检测电路3、所述反向电流检测电路4及所述第一电阻r1合封为一体。本发明将各部件合封为一体，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。
71.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。