专利名称：一种耗尽型器件栅源电压正偏的组合开关电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种增强型开关器件和耗尽型开关器件的组合开关电路，主要 应用于开关电源或开关功率变换器，具体地说，它是一种耗尽型器件栅源电压正偏的增 强-耗尽型组合开关电路。
背景技术：
目前，开关电源或开关功率变换器中所用的功率开关器件大都是增强型开关器 件，它的导通和关断是由控制器提供的脉冲宽度调制信号来控制的。也就是说，当控制器 输出的高电平加在其栅、源极时，则器件导通，而低电平加在其栅、源极时，则器件截止。近 年来，市场上出现了一种半导体氮化镓开关器件，它与增强型开关器件相比，具有开关速度 快、导通内阻低、耐压高等优良特性，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其栅、源极间电压接近零 时导通，而其栅、源极间为负电压时关断。因此，该耗尽型氮化镓开关器件就不能直接代替 现有的增强型开关器件而应用于开关电源或开关功率变换器中。为此，本申请人在先申请了“一种可快速关断耗尽型开关器件的驱动电路”的发明 专利，申请号201010123544. 9。在该电路中，被驱动的耗尽型开关器件Q3的栅极和源极分 别接增强型开关器件Q2的漏、源极，当增强型开关器件Q2导通时，其漏、源极间的导通电 压趋于零，该零电压加在耗尽型开关器件Q3的栅、源极间，使Q3导通；当增强型开关器件 Q2截止时，电源VCC通过导通的开关器件Ql向开关器件Q2漏、源极间的分布电容快速充 电，当充电电压达到耗尽型开关器件Q3的夹断电压时，该夹断电压反向加到耗尽型开关器 件Q3的栅、源上，使Q3关断。从而实现了用增强型开关器件的控制方式控制耗尽型开关器 件开、关的功能，同时解决了耗尽型开关器件的快速可靠关断的问题，使得氮化镓开关器件 能够较好地应用于现有的开关电源或开关功率变换器中。但是，由于增强型开关器件Q2导 通时，其漏、源极间存在着导通电阻，进而存在着一定的导通电压，因此，增强型开关器件Q2 导通时，其漏、源极加在耗尽型开关器件Q3栅、源的电压不是一个零电压，而是一个较小的 负电压，又由于耗尽型开关器件导通电阻的大小与其栅、源极的控制电压成反比，所以，使 耗尽型开关器件Q3的导通电阻较大，增大了其通态损耗，降低了电源效率，使得氮化镓开 关器件导通内阻低、通态损耗小的特点未能得到发挥。
发明内容本实用新型的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种耗尽型器件栅源电压 正偏的组合开关电路，旨在减小耗尽型开关器件的通态损耗，更好地发挥氮化镓开关器件 自身导通内阻低、通态损耗小的优势，使氮化镓开关器件能够更好地得到工程上的应用。为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下它至少由一个P沟道增强型开关器件、一个N沟道增强型开关器件和一个耗尽型 开关器件组成，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限流电阻接在本电路的供电电源上， 所述N沟道增强型开关器件的源极接本电路的参考地或通过一个电流采样电阻接参考地， 所述P沟道增强型开关器件的栅极通过其栅极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电阻与控制信号输入端相接，所述的耗尽型开关器件的漏 极作为本组合开关电路的一个开关端引出，其源极作为本组合开关的另一开关端接在沟道 增强型开关器件和N沟道增强型开关器件的漏极连接点上，并通过N沟道增强型开关器件 的漏、源极接本电路的参考地，其改进之处是在所述耗尽型开关器件的栅极接有一个正偏 压电路。本实用新型进一步改进的技术方案如下所述的正偏压电路是一个由两个电阻串接构成的电阻分压器，所述耗尽型开关器 件的栅极接在该两个电阻的分压输出端上。所述的正偏压电路是由一个电阻和一个二极管或一个稳压二极管或多个二极管 串联构成的分压器，所述耗尽型开关器件的栅极接在所述一个二极管阳极或稳压二极管的 阴极或接在多个串联二极管的管压降正端。所述的正偏压电路由一个恒流源和一个二极管或一个稳压二极管或多个二极管 串联构成，所述耗尽型开关器件的栅极接在所述一个二极管阳极或稳压二极管的阴极或接 在多个串联二极管的管压降正端。本实用新型与已有技术相比的特点如下一、本实用新型在耗尽型开关器件Q3的栅极增加了一个正偏压电路，它可在耗尽 型开关器件Q3导通时提供一个正偏电压加在耗尽型开关器件Q3的栅、源极间，使其导通电 阻(或正向导通压降)较负电压开启时减小得多，导通速度也得到一定提高，从而使耗尽型 开关器件的导通损耗及通态损耗均得到改善，提高了电源系统的效率，使氮化镓器件导通 内阻低、通态损耗小的特点得以充分发挥。二、本实用新型的正偏电路可以采用普通的电阻分压器来实现，为了使正偏电路 更加稳定，还可以采用二极管钳位正偏电路和带恒流源的二极管钳位正偏电路，这两个电 路可以避免电源电压和电源电流波动而造成的影响，为耗尽型开关器件的栅、源极间提供 一个稳定的偏置电压，最终使耗尽型开关器件的导通电阻值稳定。
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、本发明应用于升压型DC-DC开关电源的电路原理图。
具体实施方式
实施例1参见图1，它至少由一个P沟道增强型开关器件(以下简称P沟道器件)Q1、一个N 沟道增强型开关器件(以下简称N沟道器件)Q2和一个耗尽型开关器件(以下简称耗尽型器 件)Q3组成。所述的P沟道增强型开关器件Ql的漏极D与N沟道增强型开关器件Q2的漏
4极D相接，所述P沟道器件Ql的源极S直接或者通过一个限流电阻R3接在本电路的供电 电源VCC上，其中限流电阻R3用于限制流过开关器件Ql的最大电流。所述N沟道器件Q2 的源极S接本电路的参考地，或者通过一个电流采样电阻Rs接参考地，该电流采样电阻Rs 是控制器1的电流检测元件。所述P沟道器件Ql的栅极G通过其栅极电阻Rl与控制信号 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与控制信号输入端A相接；为 了进一步增加本电路的可靠性，避免两个开关器件Ql、Q2在开、关转换时的瞬间同时导通 而产生直通现象，还可在P沟道器件Ql的栅极电阻Rl上并联一个二极管Dl和在N沟道器 件Q2的栅极电阻R2上并联另一个二极管D2 ；所述的耗尽型开关器件Q3的漏极D作为本组 合开关电路的一个开关端引出，其源极S作为本组合开关的另一开关端接在P沟道器件Ql 和N沟道器件Q2的漏极D连接点上，并通过N沟道器件Q2的漏、源极接本电路的参考地， 在所述耗尽型开关器件Q3的栅极G接有一个正偏压电路，该正偏电路是一个由电阻R4和 电阻R5串联构成的电阻分压器。其工作原理是由外部的控制器1输出脉冲宽度调制信号PWM送到本电路的控制 信号输入端A点。当控制器1输出高电平时，P沟道器件Ql截止，N沟道器件Q2导通，则 Q2的漏、源极间电压接近零，由于耗尽型器件Q3的栅极G的电位由分压电阻R4、R5固定为 一正电位，故当N沟道器件Q2开启的瞬间，在Q3的栅、源极间得到一个正偏压，则耗尽型器 件Q3在其栅、源极的正偏压下导通，使得Q3具有较小的导通电阻。当控制器1输出低电平 时，N沟道器件Q2截止；P沟道器件Ql导通，则电源VCC经Ql提供的电流与电路中流经耗 尽型器件Q3的电流(此时Q3还未关断)同时向N沟道器件Q2漏、源极间的寄生电容快速充 电，则Q3源极S上的电压快速增加，此时Q3的栅极G上电压固定不变，当Q3源极电压增加 到大于其栅极电压、且栅源电压等于其关断负电压时，Q3关断。为了获得更低的Q3导通电阻或正向导通压降，R5的值可适当高些，以得到较高的 正偏压。但电阻R5上分压也不能太高，一是应小于Q2的漏、源极间的击穿电压，以确保安 全；二是应具有Q2漏、源极间电压的限压作用，使Q2只承受本电路的一小部分电压，而让 Q3承受本电路的大部分电压，充分利用耗尽型器件耐高压的特性，使Q2更安全；三是由于 Q3关断时，其源极S的电压要减去其栅极G电压才能得到栅、源极间的关断负电压值，因此， 要避免R5的值过大会影响Q3的快速关断。调节R4和R5的分压值，在R5上分得一合适的 正电压，应使该正电压既能保证具有较小的Q3导通电阻，又不影响Q3的快速关断和具有可 靠的耐压性能。实施例2参见图2，为了进一步提高本电路的稳定性，所述的正偏压电路是由一个电阻R4 和一个二极管D3或多个二极管串联构成的分压器，所述耗尽型器件Q3的栅极G接在二极 管D3的阳极或接在多个串联二极管的管压降正端。这样，可以在耗尽型器件Q3的栅极G 上获得一个不随电源电压VCC变化的固定正电位，电位的大小可通过二极管的个数进行调 节。其中二极管亦可采用一个稳压管代替，稳压管的阴极接耗尽型器件Q3的栅极G，稳压管 的稳压值应遵循上述R5的取值原则。实施例3参见图3，为了使本电路的稳定性达到更好，所述耗尽型器件Q3的栅极正偏压电 路由一个恒流源Idc和一个二极管D3或一个稳压二级管或多个二极管串联构成，所述耗尽
5型器件Q3的栅极G接在所述一个二极管D3的阳极或稳压二极管的阴极或多个串联二极管 的管压降正端。这样，在实施例2的基础上，使流过二极管的电流也是恒定的，从而保证了 二极管的导通压降固定不变。其中恒流源采用具有恒流特性的结型场效应管，使电路简单、 可靠，便于实现。实施例4，参见图4，图中给出了一个本电路的应用实例，该电路是电流控制模式的升压型 DC-DC变换器，其中虚框内即是本组合开关电路，它可以替代原有的增强型开关器件，在原 有控制器的控制下完成快速导通与关断的功能。实验表明，本发明不仅能使该变换器正常 工作，且开关性能大大优于增强型开关器件，具有导通损耗低、耐压性能好、安全可靠的优
点ο
权利要求一种耗尽型器件栅源电压正偏的组合开关电路，它至少由一个P沟道增强型开关器件(Q1)、一个N沟道增强型开关器件(Q2)和一个耗尽型开关器件(Q3)组成，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)直接或者通过一个限流电阻(R3)接在本电路的供电电源(VCC)上，所述N沟道增强型开关器件(Q2)的源极(S)接本电路的参考地或通过一个电流采样电阻(Rs)接参考地，所述P沟道增强型开关器件(Q1)的栅极通过其栅极电阻(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)的栅极通过其栅极电阻(R2)与控制信号输入端(A)相接，所述的耗尽型开关器件(Q3)的漏极(D)作为本组合开关电路的一个开关端引出，其源极(S)作为本组合开关的另一开关端接在(P)沟道增强型开关器件(Q1)和N沟道增强型开关器件(Q2)的漏极(D)连接点上，并通过N沟道增强型开关器件(Q2)的漏、源极接本电路的参考地，其特征是在所述耗尽型开关器件(Q3)的栅极(G)接有一个正偏压电路。
2.根据权利要求1所述的耗尽型器件栅源电压正偏的组合开关电路，其特征是所述 的正偏压电路是由两个电阻(R4、R5)串接构成的电阻分压器，所述耗尽型开关器件(Q3)的 栅极(G)接在该两个电阻(R4、R5)的分压输出端上。
3.根据权利要求1所述的耗尽型器件栅源电压正偏的组合开关电路，其特征是所述 的正偏压电路是由一个电阻(R4)和一个二极管(D3)或一个稳压二极管或多个二极管串联 构成的分压器，所述耗尽型开关器件(Q3)的栅极(G)接在所述一个二极管(D3)阳极或稳压 二极管的阴极或接在多个串联二极管的管压降正端。
4.根据权利要求1所述的耗尽型器件栅源电压正偏的组合开关电路，其特征是所述 的正偏压电路由一个恒流源(Idc)和一个二极管(D3)或一个稳压二极管或多个二极管串 联构成，所述耗尽型开关器件(Q3)的栅极(G)接在所述一个二极管(D3)阳极或稳压二极管 的阴极或接在多个串联二极管的管压降正端。
专利摘要本实用新型是一种耗尽型器件栅源电压正偏的组合开关电路。它至少由一个P沟道增强型开关器件、一个N沟道增强型开关器件和一个耗尽型开关器件组成。其中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，耗尽型开关器件的开、关控制由N沟道增强型开关器件漏、源极的导通与否决定，其改进点是在耗尽型开关器件的栅极接有一个正偏压电路。该正偏压电路可在耗尽型开关器件导通时提供一个正偏电压，使其导通电阻减小，导通速度也得到一定提高，从而使耗尽型开关器件的导通损耗及通态损耗均得到改善，提高了电源系统的效率，可使耗尽型氮化镓开关器件导通内阻低、通态损耗小的特点得以充分发挥。
文档编号H02M1/088GK201766504SQ201020236028
公开日2011年3月16日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者刘树林, 张允武, 曹晓生, 杨波 申请人:西安科技大学