CN203788130U - 增强-耗尽型器件组合同步开关电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种增强-耗尽型器件组合同步开关电路，包括N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1、N沟道增强型开关器件Q2、电阻R1、极性电容C1和二极管D1，耗尽型氮化镓开关器件Q1的源极与增强型开关器件Q2的漏极和二极管D1的阴极相接，耗尽型氮化镓开关器件Q1的漏极为开关电路的输出端，耗尽型氮化镓开关器件Q1的栅极与电阻R1的一端、极性电容C1的负极和二极管D1的阳极相接，增强型开关器件Q2的栅极与外部PWM驱动电路相接，且与电阻R1的另一端和极性电容C1的正极相接，增强型开关器件Q2的源极接开关电路中的参考地。本实用新型电路结构简单，实现成本低，增强了耗尽型开关器件关断的快速性、可靠性及实用性。

Description

增强-耗尽型器件组合同步开关电路

技术领域

本实用新型属于开关电路技术领域，具体是涉及一种增强-耗尽型器件组合同步开关电路。

背景技术

近年来，由于半导体氮化镓开关器件具有诸多优异的性能特点，如开关速度快、导通内阻低、耐压高等，因而受到业界广泛关注。但限于目前的制造工艺，氮化镓开关器件只能做成耗尽型开关器件。耗尽型开关器件的特点是在其栅、源极间电压接近零时就能导通，只有当其栅、源极间负电压达到一定值时才能关断，这就给控制带来了困难，如果将其直接应用于现有的开关电源或开关功率变换器中，将会出现不能关断的情况。要想将性能优良的耗尽型氮化镓开关器件应用于现有开关电源或开关功率变换器，首先应解决耗尽型开关器件的开、关控制问题。

申请号为201020116685.3的中国专利公开了一种能可靠关断的增强-耗尽型器件组合开关电路，较好地解决了耗尽型开关器件的开、关控制问题，并能可靠关断耗尽型氮化镓开关器件；但是，耗尽型开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2不能同时关断，耗尽型开关器件Q1的关断依赖N沟道增强型开关器件Q2，从而使耗尽型开关器件Q1不能快速关断；而且，由于该组合开关器件的关断速度取决于流过耗尽型开关器件电流的大小，而该电流的大小又取决于开关电源负载的大小，在负载较轻时，在关断时就会出现流过耗尽型开关器件的电流较小的情况，使得向增强型开关器件漏、源极间等效电容的充电电流较小，从而导致耗尽型开关器件的关断速度缓慢，使氮化镓器件开关速度快的特点难以发挥。为了解决这个问题，申请号为201020130489.1的中国专利又公开了一种可快速关断耗尽型开关器件的驱动电路，不仅继承了驱动的可靠性，而且较好地解决了耗尽型氮化镓器件的快速关断问题，但是，驱动电路需外加一供电电源VCC，且需要三个开关器件，从而增加了电路的复杂性，也增加了电路的成本，而且开关速度慢，耗尽型开关器件Q3的导通依赖于P沟道增强型开关器件Q1，耗尽型开关器件Q3的关断依赖于N沟道增强型开关器件Q2，做不到耗尽型开关器件Q3与P沟道增强型开关器件Q1的同时开通，也做不到耗尽型开关器件Q3与N沟道增强型开关器件Q2的同时关断。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种增强-耗尽型器件组合同步开关电路，其电路结构简单，实现方便且成本低，增强了耗尽型开关器件关断的快速性、可靠性及实用性，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种增强-耗尽型器件组合同步开关电路，其特征在于：包括N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1、N沟道增强型开关器件Q2、电阻R1、极性电容C1和二极管D1，所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的源极与N沟道增强型开关器件Q2的漏极和二极管D1的阴极相接，所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的漏极为所述开关电路的输出端OUT，所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的栅极与电阻R1的一端、极性电容C1的负极和二极管D1的阳极相接，所述N沟道增强型开关器件Q2的栅极与外部PWM驱动电路的输出端相接，且与电阻R1的另一端和极性电容C1的正极相接，所述N沟道增强型开关器件Q2的源极接所述开关电路中的参考地。

上述的增强-耗尽型器件组合同步开关电路，其特征在于：包括电阻R2和电阻R3，所述电阻R2的一端和电阻R3的一端均与所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的源极、N沟道增强型开关器件Q2的漏极和二极管D1的阴极的连接端相接，所述电阻R2的另一端与所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的漏极相接，所述电阻R3的另一端接所述开关电路中的参考地。

上述的增强-耗尽型器件组合同步开关电路，其特征在于：所述N沟道增强型开关器件Q2的源极和电阻R3的另一端均通过电流采样电阻Rs接所述开关电路中的参考地。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2在外部PWM驱动电路提供的PWM脉冲信号的控制下能够同时导通或关断，其中N沟道增强型开关器件Q2直接由PWM脉冲信号控制而处于开关状态，N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1由PWM脉冲信号经由电阻R1、极性电容C1和二极管D1构成的RCD网络所形成的正负脉冲电压驱动，该正负脉冲电压与外部PWM驱动电路提供的PWM脉冲信号在相位上保持严格同步，从而保证了N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2处于同步开关状态；由于本实用新型N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的栅、源极间电压的正负脉冲电压的产生是利用极性电容C1上的电压不能突变的原理所产生的，故无需外加任何辅助电源，充分精简了电路设计，电路结构简单，实现方便且成本低。

2、本实用新型不仅能够解决耗尽型开关器件用于现有开关电源或开关功率变换器的可控性和快速关断问题，同时还增强了耗尽型开关器件关断的快速性、可靠性及实用性。

3、本实用新型将N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2组合在一起使用，在高频，耐高压和低导通电阻上比单一增强型开关器件高出一筹，能够更好地应用在开关电源或开关功率变换器中，实用性更强，使用效果更好，便于推广使用。

综上所述，本实用新型电路结构简单，实现方便且成本低，增强了耗尽型开关器件关断的快速性、可靠性及实用性，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的电路原理图。

图2为本实用新型实施例2的电路原理图。

图3为本实用新型实施例3的电路原理图。

图4为本实用新型实施例3应用于升压型DC-DC开关电源的电路原理图。

附图标记说明:

1—外部PWM驱动电路。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实用新型的增强-耗尽型器件组合同步开关电路，包括N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1、N沟道增强型开关器件Q2、电阻R1、极性电容C1和二极管D1，所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的源极与N沟道增强型开关器件Q2的漏极和二极管D1的阴极相接，构成了N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1与N沟道增强型开关器件Q2的串联，所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的漏极为所述开关电路的输出端OUT，所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的栅极与电阻R1的一端、极性电容C1的负极和二极管D1的阳极相接，所述N沟道增强型开关器件Q2的栅极与外部PWM驱动电路1的输出端相接，且与电阻R1的另一端和极性电容C1的正极相接，所述N沟道增强型开关器件Q2的源极接所述开关电路中的参考地。其中，电阻R1、极性电容C1和二极管D1组成了RCD网络。具体实施时，电阻R1的阻值取500Ω；电阻R1的阻值较大，能够使得极性电容C1上的电压维持稳定，起到了抗干扰的作用。

本实施例中，本实用新型的工作原理是：当外部PWM驱动电路1输出高电平时，N沟道增强型开关器件Q2因其栅、源极间电压为正电压而导通，同时，由于二极管D1的钳位作用使得N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的栅、源极间电压钳位在约等与二极管D1的导通压降上，从而使N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1处于导通状态；当外部PWM驱动电路1输出低电平时，N沟道增强型开关器件Q2因其栅、源极间电压约为0而关断，此时由于极性电容C1上的电压不能突变，且由于电阻R1的取值很大，故极性电容C1在PWM脉冲关断的短时间内放电很小，几乎维持不变，从而使得N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的栅、源极间电压瞬间变为负电压，而使N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1可靠快速关断。

通过上述工作原理可以看出，N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的栅、源极间电压的正负脉冲电压的产生是利用极性电容C1上的电压不能突变的原理所产生的，故无需外加任何辅助电源；而且，N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的开通与关断不依赖于N沟道增强型开关器件Q2的开通与关断，N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1能够与N沟道增强型开关器件Q2同时快速开通与关断，所述开关电路不仅充分精简了电路设计，且大大增强了电路的可靠性和实用性。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1不同的是：本实用新型的增强-耗尽型器件组合同步开关电路还包括电阻R2和电阻R3，所述电阻R2的一端和电阻R3的一端均与所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的源极、N沟道增强型开关器件Q2的漏极和二极管D1的阴极的连接端相接，所述电阻R2的另一端与所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的漏极相接，所述电阻R3的另一端接所述开关电路中的参考地。其余结构均与实施例1相同。

本实施例中，本实用新型的增强-耗尽型器件组合同步开关电路的设计方法为：步骤一、选择合适参数的极性电容C1以及电阻R1、电阻R2和电阻R3，其具体过程如下：

步骤101、根据公式选取极性电容C1的容值，即根据极性电容C1的容值大于C_Q1和C_Q2串联后的容值的2倍的原则选取极性电容C1的容值，这样能够确保在外部PWM驱动电路1输出高电平时，所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1快速导通；其中，C_Q1为所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1栅源极间的寄生电容，C_Q2为所述N沟道增强型开关器件Q2漏源极间的寄生电容；由于C_Q1和C_Q2通常的取值范围均为10pF～900pF，因此，本实施例中，步骤101中选取的极性电容C1的容值为1000pF。

步骤102、根据公式R1＜(1-d_max)T/3C1选取电阻R1的阻值，其中，d_max为外部PWM驱动电路1输出的PWM信号的最大占空比，T为外部PWM驱动电路1输出的PWM信号的周期；当外部PWM驱动电路1输出低电平时，电阻R1为极性电容C1提供放电回路，因此要求电阻R1满足公式R1·C1＜(1-d_max)·T/3，即R1＜(1-d_max)T/3C1；而且，由于电阻R1的作用是限流保护，且电阻R1的附加损耗越小越好，因此，本实施例中，步骤102中根据公式R1＜(1-d_max)T/3C1选取电阻R1的阻值时，电阻R1的阻值越大其限流作用越好；本实施例中，d_max＝0.8，T＝10μs，根据公式R1＜(1-d_max)T/3C1计算得到R1＜667Ω，因此，步骤102中选取的电阻R1的阻值为500Ω。

步骤103、根据公式、公式I_R3＞＞I_DSS和公式R2＝R3(V_i,max-V_R3)/V_R3选取电阻R2的阻值和电阻R3的阻值，其中，V_i,max为所述开关电路能够承受的最大电压，V_R3为电阻R3上的压降且V_R3小于外部PWM驱动电路1输出的高电平的电压，I_R3为流过电阻R3的电流，I_DSS为所述N沟道增强型开关器件Q2的漏源电流；为了确保所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2的安全工作，电阻R3上的压降V_R3应小于所述N沟道增强型开关器件Q2的漏源极击穿电压，且小于所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的栅源击穿电压；同时，为了确保在外部PWM驱动电路1输出为高电平时，所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2的同时开通，电阻R3上的压降V_R3应小于外部PWM驱动电路1输出的高电平的电压，由于所述N沟道增强型开关器件Q2的漏源极击穿电压和所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的栅源击穿电压一般都大于外部PWM驱动电路1输出的高电平，因此只要使电阻R3上的压降V_R3小于外部PWM驱动电路1输出的高电平的电压即可；本实施例中，步骤103中外部PWM驱动电路1输出的高电平的电压为12V，步骤103中V_R3的取值为8V，步骤103中I_DSS的取值为50μA，步骤103中I_RS的取值为500μA，步骤103中V_i,max的取值为24V，步骤103中选取的电阻R2的阻值为32KΩ，步骤103中选取的电阻R3的阻值为16KΩ。

步骤二、连接所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1、N沟道增强型开关器件Q2、电阻R1、极性电容C1、二极管D1、电阻R2和电阻R3，其具体过程如下：

步骤201、连接所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的源极、N沟道增强型开关器件Q2的漏极、二极管D1的阴极、电阻R2的一端和电阻R3的一端；

步骤202、连接所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的栅极与电阻R1的一端、极性电容C1的负极和二极管D1的阳极；

步骤203、将所述N沟道增强型开关器件Q2的栅极、电阻R1的另一端和极性电容C1的正极连接后再连接到外部PWM驱动电路1的输出端；

步骤204、连接所述电阻R2的另一端和所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的漏极；

步骤205、将所述N沟道增强型开关器件Q2的源极和所述电阻R3的另一端连接到所述开关电路中的参考地。

本实施例中，本实用新型的工作原理与实施例1不同的是：串联的电阻R2和电阻R3构成了分压电路，电阻R3上的压降V_R3小于外部PWM驱动电路1输出的高电平的电压，能够确保在外部PWM驱动电路1输出为高电平时，所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2的同时开通，且通过电阻R2和电阻R3进行分压，确保了所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2的安全工作。其余工作原理均与实施例1相同。

实施例3

如图3所示，本实施例与实施例2不同的是：所述N沟道增强型开关器件Q2的源极和电阻R3的另一端均通过电流采样电阻Rs接所述开关电路中的参考地。其余结构均与实施例2相同。

本实施例中，本实用新型的工作原理与实施例2不同的是：通过电流采样电阻Rs能够对流过N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2的电流进行采样，并将采样到的电流信号输出给外部控制电路，由外部控制电路对N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2实施保护，或对流过N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2的电流进行控制，使N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2工作在安全电流下。其余工作原理均与实施例2相同。

为了验证本实用新型的使用效果，将本实施例中的该开关电路应用于升压型DC-DC开关电源，如图4所示，该升压型DC-DC开关电源包括二极管D2，电感L1，非极性电容C2和C5，以及极性电容C3和C4；所述非极性电容C2的一端、极性电容C3的正极和电感L1的一端均与输入电压Vi的正极相接，所述非极性电容C2的另一端和极性电容C3的负极均接所述开关电路中的参考地，所述电感L1的另一端和二极管D2的阳极均与该开关电路的输出端OUT相接，所述二极管D2的阴极与极性电容C4的正极和非极性电容C5的一端相接且为输出电压Vo的正极输出端，所述极性电容C4的负极和非极性电容C5的另一端均接所述开关电路中的参考地且为输出电压Vo的负极输出端，输出电压Vo的正极输出端与负极输出端之间接有负载R_L。

该升压型DC-DC开关电源的工作原理为：当外部PWM驱动电路1输出高电平时，N沟道增强型开关器件Q2因其栅、源极间电压为正电压而导通，同时，由于二极管D1的钳位作用使得N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的栅、源极间电压钳位在约等与二极管D1的导通压降上，从而使N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1处于导通状态，电阻R3上的压降V_R3小于外部PWM驱动电路1输出的高电平的电压，能够确保在外部PWM驱动电路1输出为高电平时，所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2的同时开通，此时，二极管D2因承受反向电压而关断，电流流过电感L1，电流线性增加，电能以磁能形式储存在电感L1中，极性电容C4放电，向负载R_L供电；当外部PWM驱动电路1输出低电平时，N沟道增强型开关器件Q2因其栅、源极间电压约为0而关断，此时由于极性电容C1上的电压不能突变，且由于电阻R1的取值很大，故极性电容C1在PWM脉冲关断的短时间内放电很小，几乎维持不变，从而使得N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的栅、源极间电压瞬间变为负电压，而使N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1可靠快速关断，此时，电感L1中的电流不能突变，强迫二极管D2导通续流，这样电感L与输入电压Vi同时向极性电容C4和负载R_L充电；通过电阻R2和电阻R3进行分压，确保了所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1和N沟道增强型开关器件Q2的安全工作。另外，电路中的非极性电容C2和极性电容C3用于对输入电压Vi进行滤波，使输入电压Vi更加稳定，非极性电容C5用于对输出电压Vo进行滤波。

以上验证实验表明，本实用新型中的N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1能够与N沟道增强型开关器件Q2同时开通与关断，实现了N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的快速开通与快速关断；本实用新型不仅能够使升压型DC-DC开关电源正常工作，且开关性能优越，工作可靠性高，本实用新型大大增强了N沟道耗尽型氮化镓开关器件的实用性。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种增强-耗尽型器件组合同步开关电路，其特征在于：包括N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1、N沟道增强型开关器件Q2、电阻R1、极性电容C1和二极管D1，所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的源极与N沟道增强型开关器件Q2的漏极和二极管D1的阴极相接，所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的漏极为所述开关电路的输出端OUT，所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的栅极与电阻R1的一端、极性电容C1的负极和二极管D1的阳极相接，所述N沟道增强型开关器件Q2的栅极与外部PWM驱动电路(1)的输出端相接，且与电阻R1的另一端和极性电容C1的正极相接，所述N沟道增强型开关器件Q2的源极接所述开关电路中的参考地。

2.按照权利要求1所述的增强-耗尽型器件组合同步开关电路，其特征在于：包括电阻R2和电阻R3，所述电阻R2的一端和电阻R3的一端均与所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的源极、N沟道增强型开关器件Q2的漏极和二极管D1的阴极的连接端相接，所述电阻R2的另一端与所述N沟道耗尽型氮化镓开关器件Q1的漏极相接，所述电阻R3的另一端接所述开关电路中的参考地。

3.按照权利要求2所述的增强-耗尽型器件组合同步开关电路，其特征在于：所述N沟道增强型开关器件Q2的源极和电阻R3的另一端均通过电流采样电阻Rs接所述开关电路中的参考地。