CN101789680A - 一种可快速关断耗尽型开关器件的驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可快速关断耗尽型开关器件的驱动电路。它主要由一个P沟道增强型开关器件、一个N沟道增强型开关器件和接在该两个开关器件栅极上的电阻组成，并且P沟道增强型开关器件的漏极与N沟道增强型开关器件的漏极相接。该两个开关器件在脉冲宽度调制信号的控制下交替导通，并将N沟道增强型开关器件的漏、源极间电压反向加在耗尽型开关器件的栅、源极间来控制耗尽型开关器件的开通和关断。本驱动电路的特点是可快速开通和快速关断耗尽型开关器件。不仅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驱动问题，同时还解决了耗尽型开关器件的快速关断问题。

Description

一种可快速关断耗尽型开关器件的驱动电路

技术领域

本发明涉及一种耗尽型功率开关器件的驱动电路，主要应用于开关电源或开关功率变换器，确切地说是一种可快速关断耗尽型开关器件的驱动电路。

背景技术

在已有技术中，由于场效应功率开关器件具有驱动容易、开关速度快等特点而在功率变换领域得到广泛应用。场效应功率开关器件可分为增强型和耗尽型两类，但目前开关电源或开关功率变换器中所用的场效应功率开关器件大都是增强型开关器件，它的开通和关断是由控制驱动电路提供的脉冲宽度调制信号来控制的，该脉冲宽度调制信号的幅度一般为0～15V。也就是说，当控制驱动电路输出约15V的高电平时，增强型开关器件开通，当输出为接近0V的低电平时，增强型开关器件截止，故现有的控制驱动电路仅适用于控制增强型开关器件。

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。本申请人在先申请的中国专利“一种能可靠关断的增强-耗尽型器件组合开关电路(申请号：201010112286.4)”较好地解决了耗尽型开关器件的开、关控制问题，能可靠关断耗尽型氮化镓开关器件。但其关断速度不够快，因为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电路负载的大小，又由于在负载较轻时，流过耗尽型开关器件的电流较小，使得向增强型开关器件漏、源极间等效电容的充电电流也较小，从而导致耗尽型开关器件的关断速度缓慢，使氮化镓开关器件开关速度快的特点难以发挥。因此，氮化镓开关器件要获得工程应用并充分发挥其开关速度快的优异性能，还应解决其快速关断的问题。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种可快速关断耗尽型开关器件的驱动电路，旨在解决耗尽型开关器件可控性的同时重点解决其快速关断的问题，其次是解决耗尽型开关器件的快速开通和驱动电路的安全可靠性问题，从而使耗尽型开关器件能够更好地应用于开关电源和开关变换器中。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

它主要包括一个P沟道增强型开关器件、一个N沟道增强型开关器件和接在该两个开关器件栅极上的电阻，所述的P沟道增强型开关器件的漏极与N沟道增强型开关器件的漏极相接，所述P沟道增强型开关器件的源极直接或者通过一个电阻接在本驱动电路的供电电源上，所述N沟道增强型开关器件的源极直接或者通过一个电阻接到电路的参考地，所述P沟道增强型开关器件的栅极通过其栅极上的电阻与控制信号输入端相接，所述N沟道增强型开关器件的栅极通过其栅极上的电阻与控制信号输入端相接。

本发明进一步改进的技术方案如下：

在所述P沟道增强型开关器件的栅极电阻上并联一个二极管，该二极管的阴极与P沟道增强型开关器件的栅极相接，其阳极与控制信号的输入端相接，在所述N沟道增强型开关器件的栅极电阻上并联另一个二极管，该二极管的阳极与N沟道增强型开关器件的栅极相接，其阴极与控制信号的输入端相接。

通过上述技术方案可以看出，本发明将P沟道和N沟道两个增强型开关器件Q1、Q2串联连接，它们在脉冲宽度调制信号的控制下交替导通，并将N沟道增强型开关器件Q2的漏、源极间电压反向加在耗尽型开关器件Q3的栅、源极间来控制耗尽型开关器件的开通和关断。该驱动电路的特点是在控制耗尽型开关器件关断时通过两个支路的电流同时向N沟道开关器件Q2的漏、源极间寄生电容充电，其中一个支路的电流是由电源电压VCC通过P沟道增强型开关器件Q1直接提供，它不受电路负载变化的影响，可使充电电压快速达到耗尽型开关器件所需的栅、源极间的关断负电压，使其快速关断，并在耗尽型开关器件关断时仍可通过P沟道增强型开关器件Q1继续向N沟道开关器件Q2的漏、源极间寄生电容充电，确保了耗尽型开关器件的可靠彻底关断。本发明进一步的改进之一是在两个增强型开关器件的栅极电阻上分别并联二极管，一是可加速N沟道增强型开关器件Q2的快速导通，加快耗尽型开关器件的开通速度；二是可避免两个开关器件在开、关转换时的瞬间同时导通而产生直通现象，确保驱动电路工作的可靠性。因此，本发明较好地解决了耗尽型开关器件的快速开通和快速关断问题，特别是快速关断问题，能充分发挥耗尽型氮化镓开关器件开、关速度快的特点，同时，工作安全可靠。

附图说明

图1、本发明的电路原理图之一。

图2、本发明的电路原理图之二。

图3、本发明的电路原理图之三。

图4、本发明的电路原理图之四。

图5、本发明应用于升压型DC-DC开关电源的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及其工作原理作详细说明。

实施例1

参见图1，本驱动电路由一个P沟道增强型开关器件Q1(以下简称P沟道器件)和一个N沟道增强型开关器件Q2(以下简称N沟道器件)和接在该两个开关器件栅极上的电阻R1、R2组成，P沟道器件Q1的漏极D与N沟道器件Q2的漏极D相接，P沟道器件Q1的源极S直接接在本驱动电路的供电电源VCC上，N沟道器件Q2的源极S接参考地，P沟道器件Q1的栅极G通过其栅极电阻R1与驱动控制信号输入端A相接，所述N沟道器件Q2的栅极通过其栅极电阻R2与驱动控制信号输入端A相接，该控制信号输入端A与外部控制驱动电路1的信号输出端相接。所述N沟道器件Q2的漏极D与耗尽型开关器件Q3源极S相接，N沟道器件的源极S与耗尽型开关器件Q3的栅极G相接，从而使N沟道器件Q2的漏、源极间电压反向加到耗尽型开关器件Q3的栅、源极间。

其工作原理是：由外部的控制驱动电路1输出脉冲宽度调制信号PWM送到本驱动电路的控制信号输入端A点。当控制驱动电路1输出高电平时，P沟道器件Q1的栅极被置高，使Q1的栅、源极间电压接近零，则Q1截止；与此同时，该高电平信号通过电阻R2向N沟道器件Q2栅极G和源极S间的寄生电容充电，当该充电电压达到其导通电压时，则N沟道器件Q2导通，Q2的漏、源极间电压接近零，使得耗尽型开关器件Q3导通。当控制驱动电路1输出低电平时，N沟道器件Q2的栅极G被置为低电平，则Q2截止；与此同时，P沟道器件Q1的栅极也被置为低电平，则电源VCC的反向电流通过电阻R1向Q1的栅、源极间寄生电容充电，当该充电电压达到Q1的导通电压时，Q1导通，则电源VCC经Q1提供的电流和流经耗尽型开关器件(此时还未关断)的电流同时向N沟道开关器件Q2漏、源极间的寄生电容快速充电，随着Q2漏、源极间电压的快速上升，施加在Q3栅、源极间的反向电压也快速增加，当增加到Q3的关断负电压时，Q3关断。耗尽型开关器件Q3关断后，P沟道开关器件Q1保持导通状态，VCC继续向N沟道开关器件Q2的漏、源极间寄生电容充电，从而保证了Q3关断所需的负电压，确保Q3的可靠彻底关断。

通过上述工作原理可以看出，在耗尽型开关器件Q3的关断过程中，电源电压VCC经Q1向Q2漏、源极间寄生电容充电，其充电电流的大小不受电路负载的影响，可使Q2漏、源极间充电电压快速达到Q3的关断电压，从而使Q3快速关断。由此可见，本驱动电路不仅实现了耗尽型开关器件开通与关断的控制，同时，还具有快速关断耗尽型开关器件的特点。

实施例2

参见图2，本例在实施例1的基础上，在P沟道增强型开关器件Q1的栅极电阻R1上并联一个二极管D1，该二极管D1的阴极与P沟道增强型开关器件Q1的栅极相接，其阳极与控制信号的输入端A相接，在所述N沟道增强型开关器件Q2的栅极电阻R2上并联另一个二极管D2，该二极管D2的阳极与N沟道增强型开关器件Q2的栅极相接，其阴极与控制信号的输入端A相接。

其工作原理是：当控制驱动电路1输出高电平时，二极管D1导通，则该高电平信号通过二极管D1迅速加到P沟道器件Q1的栅极，使Q1快速截止；与此同时，二极管D2截止，则该高电平信号通过电阻R2向N沟道器件Q2栅极G和源极S间的寄生电容充电，当该充电电压达到栅、源极间的导通电压时，则N沟道器件Q2导通，继而使耗尽型开关器件Q3导通。当控制驱动电路1输出低电平时，二极管D2导通，该低电平通过二极管D2将Q2的栅极G迅速拉到低电平，使Q2快速截止；与此同时，低电平将P沟道器件Q1的栅极电位拉低，Q1导通，则电源VCC经Q1提供的电流和流经耗尽型开关器件Q3(此时还未关断)的电流同时向N沟道器件Q2的漏、源极间寄生电容充电，当该充电电压达到Q3的关断电压时，Q3关断。

通过上述工作原理可以看出，在高电平控制耗尽型开关器件Q3开通的过程中，高电平可以通过导通的二极管D1立即加到Q1的栅极，使Q1快速关断，由于Q1的快速关断，可使Q2快速导通(因为为避免两个开关Q1、Q2串联直通，Q2最好在Q1关断后导通，故Q1快速关断后，Q2就可在其之后快速导通)，继而使Q3能够快速开通，从而使本驱动电路具有快速开通耗尽型开关器件的特点。

另外，通过设置二极管D1、D2还可避免两个开关器件的串联直通，提高本电路工作的可靠性。其原理是：在高电平到来时，对于Q1来说，该高电平通过导通的二极管D1快速加到Q1栅极，使Q1迅速关断，而对于Q2来说，该高电平则通过电阻R2向Q2的栅、源极间寄生电容充电，当该充电电压达到Q2的导通电压时才导通，确保Q2在Q1关断后滞后导通，从而避免了该支路电流直通；同理，在低电平到来时，对于Q2来说，该低电平通过导通二极管D2快速将Q2的栅极拉到低电平，则Q2迅速关断，而对于Q1来说，当低电平将电阻R1的一端置低时，电源VCC通过电阻R1向Q1的栅、源极间寄生电容充电，当该充电电压达到Q1的导通电压时才导通，也确保了Q1在Q2关断后才导通，从而也避免了两个开关器件的串联直通。

实施例3

参见图3，为了进一步提高本驱动电路的安全性和可靠性，在所述的P沟道增强型开关器件Q1的源极上串联一个限流电阻R3，以限制流过开关器件Q1的最大电流。

实施例4

参见图4，为了进一步提高本驱动电路的实用性，可在所述的N沟道增强型开关器件Q2的源极上串联一个电流采样电阻Rs，通过该采样电阻Rs可以对流过开关器件的电流进行采样，并可通过外部的控制电路对其实施保护或对电流进行控制，使其工作在安全电流下。

实施例5

参见图5，图中给出了一个本驱动电路的应用实例，该电路是电流控制模式的升压型DC-DC变换器，其中虚框内即是本驱动电路，它和耗尽型开关器件Q3可以替代原有的增强型开关器件，它们在原有控制驱动电路1的控制下完成了快速开通与快速关断的功能。实验表明，本发明不仅能使该变换器正常工作，且开关性能优越、工作安全可靠。

Claims (2)

1.一种可快速关断耗尽型开关器件的驱动电路，其特征是：它主要包括一个P沟道增强型开关器件(Q1)、一个N沟道增强型开关器件(Q2)和接在该两个开关器件栅极上的电阻(R1和R2)，所述的P沟道增强型开关器件(Q1)的漏极(D)与N沟道增强型开关器件(Q2)的漏极(D)相接，所述P沟道增强型开关器件(Q1)的源极(S)直接或者通过一个电阻(R3)接在本驱动电路的供电电源(VCC)上，所述N沟道增强型开关器件(Q2)的源极(S)直接或者通过一个电阻(Rs)接到电路的参考地，所述P沟道增强型开关器件(Q1)的栅极通过其栅极上的电阻(R1)与控制信号输入端(A)相接，所述N沟道增强型开关器件(Q2)的栅极通过其栅极上的电阻(R2)与控制信号输入端(A)相接。

2.根据权利要求1所述的可快速关断耗尽型开关器件的驱动电路，其特征是：在所述P沟道增强型开关器件(Q1)的栅极电阻(R1)上并联一个二极管(D1)，该二极管(D1)的阴极与P沟道增强型开关器件(Q1)的栅极相接，其阳极与控制信号的输入端(A)相接，在所述N沟道增强型开关器件(Q2)的栅极电阻(R2)上并联另一个二极管(D2)，该二极管(D2)的阳极与N沟道增强型开关器件(Q2)的栅极相接，其阴极与控制信号的输入端(A)相接。

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