一种功率器件过流保护电路的制作方法

1.本发明涉及功率器件技术领域，具体为一种功率器件过流保护电路。


背景技术：

2.氮化镓功率器件通常被设计开启在线性区，关断在截止区，并在此二区切换实现开关功能。为了提升开启速度，氮化镓功率器件的栅极驱动电压往往被设计得较高；其中，对于增强型器件，一般为6v。如图1所示为由驱动单元向氮化镓功率器件的栅极发送电压信号从而开启氮化镓功率器件的电路示意图，其中，驱动单元的第一电压信号输出端连接功率器件的栅极，而驱动单元包含但不仅限于单级cmos反向器，可以是多级cmos反向器，也可以是单级或多级gan基反向器，还可以包含单级或多级buffer；即可以将驱动单元的电压信号输出端作为驱动单元的第一电压信号输出端连接功率器件的栅极，但不限定。
3.但是，传统的氮化镓功率器件一般不包含过流保护功能，即没有预防氮化镓功率器件长时间工作在饱和区的机制，即当驱动电压持续输出电压时，器件有过流导致结温过高而损坏的风险。具体为：当氮化镓功率器件的漏-源电压vds＞饱和电压vdsat时，器件会被拉到饱和区，导致漏-源电流ids急剧增加、功耗变大、结温升高，最终氮化镓功率器件会由于持续大电流引起的结温过高而烧毁。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有氮化镓功率器件会由于持续大电流引起的结温过高而烧毁的问题，提供了一种功率器件过流保护电路。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种功率器件过流保护电路，包括第一增强型器件、第二增强型器件、第三增强型器件、升压元件；
6.第一增强型器件的栅极分别连接第二增强型器件的栅极和第三增强型器件的漏极，第二增强型器件的漏极连接第一增强型器件的漏极，第二增强型器件的源极分别连接第三增强型器件的栅极和升压元件的一端，升压元件的另一端连接第三增强型器件的源极、第一增强型器件的源极和接地端。
7.作为一种可实施方式，所述第一增强型器件和所述第二增强型器件分别为同一功率器件的mainfet和sensefet。
8.作为一种可实施方式，所述升压元件具体为第一电阻，所述第一电阻具体为第一二维电子气电阻或者第一金属电阻。
9.作为一种可实施方式，所述升压元件为由多个二极管以阴极连接阳极的方式串联形成的第一二极管串，所述第一二极管串具有阳极端和阴极端；第一二极管串的阳极端连接第二增强型器件的源极，第一二极管串的阴极端连接第三增强型器件的源极、第一增强型器件的源极和接地端；；其中，所述第一二极管串的开启电压大于第三增强型器件的阈值电压和第一增强型器件的导通电压；所述第一二极管串的二极管为肖特基/pn结二极管或者通过gan fet栅源短接构成，当通过gan fet栅源短接构成时，所述第一二极管串中的二
极管基于同一氧化镓功率器件制备工艺形成。
10.作为一种可实施方式，还包括用于与第一驱动单元相连的第一电压信号输入端和第二电压信号输入端，所述第一电压信号输入端分别连接第二增强型器件的栅极、第一增强型器件的栅极和第三增强型器件的漏极，第二电压信号输入端连接接地端。
11.作为一种可实施方式，还包括用于与第一驱动单元相连的第一电压信号输入端、第二电压信号输入端和用于与第二驱动单元相连的第三电压信号输入端、第四电压信号输入端，所述第三电压信号输入端连接第二增强型器件的栅极，所述第四电压信号输入端连接接地端，所述第一电压信号输入端分别连接第一增强型器件的栅极、第三增强型器件的漏极，所述第二电压信号输入端连接接地端。
12.作为一种可实施方式，在第一增强型器件的栅极和所述第三增强型器件的漏极之间还连接有由多个二极管以阴极连接阳极的方式串联形成的第二二极管串，所述第二二极管串具有阴极端和阳极端，第一增强型器件的栅极连接所述第二二极管串的阳极端，第三增强型器件的漏极连接所述第二二极管串的阴极端，其中，所述第二二极管串的开启电压小于第一增强型器件的栅极驱动电压，所述第二二极管串中的二极管为肖特基/pn结二极管或者通过gan fet栅源短接构成；当通过gan fet栅源短接构成时，所述第二二极管串中的二极管都基于同一氧化镓功率器件制备工艺形成。
13.作为一种可实施方式，在第二增强型器件的栅极和第一增强型器件的栅极之间还连接有第二电阻，第二增强型器件的栅极连接第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接第一增强型器件的栅极和第三增强型器件的漏极。
14.作为一种可实施方式，所述第二电阻具体为第二二维电子气电阻或者第二金属电阻。
15.作为一种可实施方式，所述第一增强型器件、第二增强型器件、第三增强型器件、升压元件都基于同一氧化镓功率器件制备工艺形成。
16.本发明的有益效果：本发明提供了一种功率器件过流保护电路，包括第一增强型器件和第二增强型器件、第三增强型器件、升压元件；第一增强型器件的栅极分别连接第二增强型器件的栅极和第三增强型器件的漏极，第二增强型器件的漏极连接第一增强型器件的漏极，第二增强型器件的源极分别连接第三增强型器件的栅极和升压元件的一端，升压元件的另一端连接第三增强型器件的源极、第一增强型器件的源极和接地端；使得当第一增强型器件工作在饱和区时，所述第二增强型器件也工作在饱和区，第二增强型器件上的饱和电流在所述升压元件上形成电压降，当所述升压元件上形成的电压降大于所述第三增强型器件的阈值电压时，所述第三增强型器件开启并对第一增强型器件的栅极电压进行泄放，防止第一增强型器件由于持续大电流引起的结温过高而烧毁；另外，本发明的第一增强型器件、第二增强型器件、第三增强型器件、升压元件都可以基于同一氧化镓功率器件制备工艺形成。
附图说明
17.图1为传统驱动电路示意图；
18.图2为本发明实施例功率器件过流保护电路中使用第一电阻作为升压元件的功率器件过流保护电路驱动电路图；
19.图3为本发明实施例功率器件过流保护电路中使用两个驱动单元进行驱动的功率器件过流保护电路驱动电路图；
20.图4为本发明实施例功率器件过流保护电路中使用第一二极管串作为升压元件的功率器件过流保护电路驱动电路图；
21.图5为本发明实施例增加第二二极管串的功率器件过流保护电路驱动电路图；
22.图6为本发明实施例功率器件过流保护电路中使用两个驱动单元进行驱动并增加第二二极管串的功率器件过流保护电路驱动电路图；
23.图7为本发明实施例功率器件过流保护电路中使用第一二极管串作为升压元件并增加第二二极管串的功率器件过流保护电路驱动电路图；
24.图8为本发明实施例功率器件过流保护电路中使用第一电阻作为升压元件并增加第二电阻的功率器件过流保护电路驱动电路图；
25.图9为本发明实施例功率器件过流保护电路中使用第一二极管串作为升压元件并增加第二电阻的功率器件过流保护电路驱动电路图；
26.图10为本发明实施例功率器件过流保护电路中使用第一电阻作为升压元件并增加第二二极管串和第二电阻的功率器件过流保护电路驱动电路图；
27.图11为本发明实施例功率器件过流保护电路中使用第一二极管串作为升压元件并增加第二二极管串和第二电阻的功率器件过流保护电路驱动电路图。
具体实施方式
28.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。
29.如图2所示，本实施例提供一种技术方案：一种功率器件过流保护电路100，包括第一增强型器件1、第二增强型器件2、第三增强型器件3、升压元件；
30.第一增强型器件1的栅极分别连接第二增强型器件2的栅极和第三增强型器件3的漏极，第二增强型器件2的漏极连接第一增强型器件1的漏极，第二增强型器件2的源极分别连接第三增强型器件3的栅极和升压元件的一端，升压元件的另一端连接第三增强型器件3的源极、第一增强型器件1的源极和接地端。
31.驱动单元输出的电压信号输入第一增强型器件的栅极和第二增强型器件的栅极，使得第一增强型器件和第二增强型器件都工作在饱和区时，第二增强型器件上的饱和电流在所述升压元件上形成电压降，当所述升压元件上形成的电压降大于所述第三增强型器件的阈值电压时，所述第三增强型器件开启并对第一增强型器件的栅极电压进行泄放。
32.具体的，所述第一增强型器件和所述第二增强型器件可以分别为同一功率器件的mainfet和sensefet，也可以为单独的两个功率器件；所述第三增强型器件具体为低压增强型器件；所述第一增强型器件、第二增强型器件、第三增强型器件、升压元件也可以为同平台设计的器件或者单独设计的器件，也就是说，所述第一增强型器件、第二增强型器件、第三增强型器件、升压元件都基于同一氧化镓功率器件制备工艺形成。
33.本发明实施例通过驱动单元向第一增强型器件和第二增强型器件发送电压信号，
当第一增强型器件的栅极电压上升到驱动电压，且第一增强型器件的vds＞vdsat时，第一增强型器件1的栅极和第二增强型器件2的栅极都工作在饱和区，第二增强型器件2上的饱和电流在所述升压元件上形成电压降，当所述升压元件上形成的电压降大于所述第三增强型器件3的阈值电压时，所述第三增强型器件3开启并对第一增强型器件1的栅极电压进行泄放。
34.其中，所述第三增强型器件3为低压增强型器件。
35.作为一种实施方式，所述升压元件为具体为第一电阻4，所述第一电阻具体为第一二维电子气电阻或者第一金属电阻；其中，当所述第一电阻为第一金属电阻时，所述第一金属电阻通过制造过程中的gate metal/field plate/ohmic metal/m1/m2等或者单独金属工艺形成。
36.具体的，当第一增强型器件1的栅极电压被所述第三增强型器件拉低时，第三增强型器件3与驱动电路最后一级的上拉管(图中未示出)会对电压信号进行分压，最终第一增强型器件1的栅极电压取决于两者导通电阻的比值，即若第三增强型器件的导通电阻远小于上拉管的导通电阻，则第一增强型器件1的栅极电压会被拉到地；若第三增强型器件的导通电阻较大，则第一增强型器件1的栅极电压会降低为一个较小值，从而使得第一增强型器件和第二增强型器件上的导通电流减小，保护第一增强型器件1和第二增强型器件2不会因为过流引起的结温过高而烧毁。
37.作为一种实施方式，在本实施例中，如图2所示，本实施例公开的功率器件过流保护电路还包括用于与第一驱动单元相连的第一电压信号输入端和第二电压信号输入端，所述第一电压信号输入端分别连接第二增强型器件的栅极、第一增强型器件的栅极和第三增强型器件的漏极，第二电压信号输入端连接接地端；在此种方式中，第一增强型器件1和第二增强型器件2同时由第一驱动单元进行驱动，具体连接方式如图2所示，所述第一驱动单元的第一电压信号输出端通过所述功率器件过流保护电路的第一电压信号输入端分别连接第二增强型器件2的栅极、第一增强型器件1的栅极和第三增强型器件3的漏极，所述第一驱动单元的第二电压信号输出端连接所述功率器件过流保护电路的第二电压信号输入端。
38.进一步的，在本实施例中，当只由一个第一驱动单元同时驱动第一增强型器件1和第二增强型器件2时，当第一增强型器件1和第二增强型器件2处于过流状态，第二增强型器件2和第一电阻4组成分压电路，当第一电阻4的分压大于第三增强型器件的阈值电压时，第三增强型器件3开启将第一增强型器件1的栅极电荷将泄放从而保护器件；但是，第二增强型器件2的栅源电压vgs是驱动单元输出电压和第一电阻4分压的差值，当第一电阻4分压增大时第二增强型器件2的栅源电压vgs减小，此时第二增强型器件2导通电阻会增大；也就是说，在过流发生时，随着电流的不断输入导致的第一电阻4的分压增大，第二增强型器件2的导通电阻会发生变化，而当第三增强型器件的阈值电压较大时，分压将难以使第三增强型器件完全开启。
39.因此，作为第一种解决方式，如图3所示，本实施例可以设计将第二增强型器件2使用第一驱动单元单独驱动，而将第一增强型器件1使用第二驱动单元单独驱动，使得在功率器件发生过流时，第二增强型器件2能够一直保持完全开启状态，分压电路状态稳定，第三增强型器件可以完全开启。
40.具体的，将第二增强型器件2使用第一驱动单元单独驱动，而将第一增强型器件1
使用第二驱动单元单独驱动的实现方式为：本实施例公开的功率器件过流保护电路还包括用于与第一驱动单元相连的第一电压信号输入端、第二电压信号输入端和用于与第二驱动单元相连的第三电压信号输入端、第四电压信号输入端，所述第三电压信号输入端连接第二增强型器件2的栅极，所述第四电压信号输入端连接接地端，所述第一电压信号输入端分别连接第一增强型器件的栅极、第三增强型器件的漏极，所述第二电压信号输入端连接接地端；而所述第一驱动单元的第一电压信号输出端通过所述功率器件过流保护电路的第一电压信号输入端连接第二增强型器件的栅极，所述第一驱动单元的第二电压信号输出端连接接地端；所述第二驱动单元的第三电压信号输出端通过所述功率器件过流保护电路的第二电压信号输入端分别连接第一增强型器件的栅极、第三增强型器件的漏极，所述第二驱动单元的第四电压信号输出端连接接地端。
41.而作为第二种解决方式，如图4所示，所述升压元件也可以为由多个二极管以阴极连接阳极的方式串联形成的第一二极管串5，所述第一二极管串5具有阳极端和阴极端；第一二极管串5的阳极端连接第二增强型器件2的源极，第一二极管串5的阴极端连接第三增强型器件3的源极、第一增强型器件1的源极和接地端；其中，所述第一二极管串5的开启电压大于第三增强型器件的阈值电压和第一增强型器件的导通电压；当功率器件的第一增强型器件工作在饱和区时，第二增强型器件工作在饱和区，第一增强型器件的vds电压增大，当vds电压小于第一二极管串的开启电压时，所述第一二极管串处于高阻状态，vds电压将分压落在第一二极管串的阳极端，从而当第一二极管串的分压大于第三增强型器件的阈值电压时开启第三增强型器件；
42.其中，所述第一二极管串的二极管为肖特基/pn结二极管或者通过gan fet栅源短接构成，当通过gan fet栅源短接构成时，所述第一二极管串中的二极管都基于同一氧化镓功率器件制备工艺形成即基于同一平台集成设计。
43.具体的，当器件处于关态时第二增强型器件2和第一增强型器件1耐压；当器件处于导通状态时第一增强型器件1和第二增强型器件2导通，第一二极管串开启电压远大于第一增强型器件导通电压，此时第一二极管串处于开路状态；当器件处于过流状态时，第一增强型器件1进入饱和区，器件vds电压增大；当vds电压小于第一二极管串的开启电压时，第一二极管串处于高阻状态，vds电压将大部分分压落在第一二极管串的阳极端；当第一二极管串的分压大于第三增强型器件的阈值电压时，第三增强型器件开启泄放第一增强型器件1的栅极电荷进而保护器件；另外，所述第一二极管串5中二极管的具体数目可以根据需求进行设计，例如，本实施例中第一二极管串5的开启电压要大于第三增强型器件3的阈值电压，因此二极管的个数可以为4/5/6个或其他。
44.进一步的，gan功率器件的阈值电压较低(通常为1～2v)，为了防止器件误开启即保证器件完全关断，会通过驱动单元提供负压(通常-2v左右)保证器件完全关断；而本发明提出的如图2所示的过流保护电路，在驱动单元提供负压关断器件时，第三增强型器件可以等效为二极管连接状态，即阳极与第一增强型器件1的源极电气连接，阴极与第一增强型器件1的栅极电气连接，因此当驱动单元提供负压超过二极管导通电压时二极管会导通，无法满足负压关断应用；基于此，如图5所示，本实施例在第三增强型器件和第一增强型器件1的栅极之间增加了由多个二极管以阴极连接阳极的方式串联形成的第二二极管串6，第二二极管串6由阴极阳极相连的二极管组成，所述第二二极管串具有阴极端和阳极端，第一增强
型器件的栅极连接所述第二二极管串的阳极端，第三增强型器件的漏极连接所述第二二极管串的阴极端，其中，所述第二二极管串中的二极管的具体数目可按照钳位需求设定，所述第二二极管串中的二极管为肖特基/pn结二极管或者通过gan fet栅源短接构成；当通过gan fet栅源短接构成时，所述第二二极管串中的二极管都基于同一氧化镓功率器件制备工艺形成即基于同一平台集成设计；
45.需要注意的是，本实施例提供的第二二极管串6可在驱动单元提供负压关断器件时阻断第三增强型器件；为满足过流状态泄放通路，因此所述第二二极管串的开启电压要设定为小于第一增强型器件的栅极驱动电压，另外，如图6所示，本实施例可以在提供两个驱动单元的前提下设置第二二极管串6；另外，如图7所示，本实施例可以在当升压元件为第一二极管串5的前提下设置第二二极管串6。
46.进一步的，为了预防在一些异常工况下，例如：驱动信号干扰等异常工况时，第二增强型器件2的误开启；在第二增强型器件的栅极和第一增强型器件的栅极之间还连接有第二电阻7，第二增强型器件的栅极连接第二电阻7的一端，第二电阻7的另一端连接第一增强型器件1的栅极和第三增强型器件3的漏极；如图8所示为本发明实施例功率器件过流保护电路中使用第一电阻4作为升压元件并增加第二电阻7的器件功率过流保护电路驱动电路图，图9为本发明实施例功率器件过流保护电路中使用第一二极管串5作为升压元件的前提下增加第二电阻7的功率器件过流保护电路驱动电路图。
47.其中，所述第二电阻7可以引入延时使第二增强型器件2开启晚于第一增强型器件1，所述第二电阻7具体可以为第二二维电子气电阻或者第二金属电阻。
48.进一步的，如图10所示，本实施例公开的功率器件过流保护电路可以同时设置第一电阻4、第二二极管串6和第二电阻7，如图11所示，本实施例公开的功率器件过流保护电路可以同时设置第一二极管串5、第二二极管串6和第二电阻7，以达到更好的效果。
49.本发明实施例对氮化镓功率器件提供集成的过流保护方案，利用第二增强型器件上的导通电流控制电流泄放第三增强型器件，防止p型gan增强型功率器件由于持续大电流引起的结温过高而烧毁。
50.本发明虽然己以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。