基于级联结构氮化镓功率器件应用的安全限压保护电路制造技术

本实用新型专利技术公开了基于级联结构氮化镓功率器件应用的安全限压保护电路，包括主控电路、Cascode GaN HEMT和门驱动电路，所述主控电路与门驱动电路连接，所述门驱动电路与Cascode GaN HEMT的G端口连接，所述Cascode GaN HEMT的Com端口电性连接有用于防浪涌过压的安全限压保护电路，本实用新型专利技术结构简单，利用瞬态二极管(TVS)或压敏电阻(VDR)，将Vcoms钳位保护在安全设计的电压差范围内，降低低压Si N MOS过压故障率，也可以有效防止雷击浪涌或过压等异常能量引起的Cascode GaN HEMT的异常工作，增强了D mode型Cascode GaN HEMT器件在电路应用中的稳定性，实际应用中，该电路可以有效的降低器件工作状态的温升，使用方便。便。便。

【技术实现步骤摘要】
基于级联结构氮化镓功率器件应用的安全限压保护电路


[0001]本技术涉及氮化镓开关管功率变换技术
，尤其涉及基于级联结构氮化镓功率器件应用的安全限压保护电路。

技术介绍

[0002]为了更加符合电路设计的习惯，通常会把耗尽型的氮化镓功率器件晶圆DIE和一颗低压MOSFET器件晶圆DIE，在器件制造过程中使用Cascode垂直级联的方式封装在一起，实现常闭器件进行应用。
[0003]如图1的Cascode结构，有一颗N沟道低压硅场效应管SiMOSFET和一颗耗尽型氮化镓HEMT组成，低压SiMOSFET是常关型，高压DepletionGaNHEMT是常开型，这里我们定义：
[0004]Vgs/Vds/Vg1s1/Vd1s1/Vg2s2/Vd2s2分别对应Cascode合封器件内部的单元结构如图2标识，DepletionGaNHEMT高压部分和低压SiMOS，在各自Vgs不加电压，或Vgs<Vth，SiMOSFET默认不导通，Rd2s2高阻状态，DepletionGaNHEMT是常开型，Rd1s1是导通状态，整合封装好的Cascode器件，Rds会变成高阻不导通，Vth代表低压SiMOS的gate阈值电压，通常是正值；Vth1是DepletionGaNHEMT的阈值电压，通常是个负值；实际整个Cascode级联器件的gate阈值电压跟低压SiMOS的Vth相同，Cascode级联器件动作原理：
[0005]Vgs<Vth时，Rd1s1是导通状态，Rd2s2是截止状态，VDS＝Vd2s2，最大VDS由低压SiMOSFET承担。
[0006]Vgs＝0V，DS两端不加电时，VDS＝Vd2s2＝Vcoms；
[0007]Vgs＝0V，DS两端加电时，Rd2s2处于高阻态，Vcoms电压从0V开始增加，
[0008]Vcoms>
‑
Vth1时候，DepletionGaNHEMT开始关断，Vcoms持续增加，VDS变大，直到DepletionGaNHEMT完全关断开，VDS达到最佳高阻态，SiMOSFET和DepletionGaNHEMT都处于关断状态，VDS的主能量靠DepletionGaNHEMT分担，达到器件的设计值。CascodeGaNHEMT在高功率电路设计中的接法通常如下两类，图3和图4。
[0009]实际Cascode器件工作状态的电压波形如图5和图6，CH1Vgs，CH2Vcom，CH3Vds，
[0010]如图5可见，Cascode器件关断时，是低压SiNMOS先关断，Vcom达到DepletionGaNHEMT的Vth时，DepletionGaNHEMT开始关断，Vds继续爬升，低压SiNMOS和DepletionGaNHEMT全部关断后，整个Cascode器件达到最佳耐压能力。如图6是完整的关断和开通过程的波形。如图6可见，Cascode器件关断后，主线电压，体现在两个级联器件的耐压值存在分压关系，
[0011]如果主线电压增大，Vcom也是持续增加。GaNHEMTCascode级联器件的优点如下：
[0012]综合发挥低压SiMOS的Vgs抗干扰，抗冲击能力和DepletionGaNHEMT氮化镓器件高开关速度，更低的开关损耗等优势，达到客户需要的常关型氮化镓开关管。
[0013]GaNHEMTCascode级联器件的缺点如下：
[0014]Cascode结构的器件，关断过程中，因浪涌电流冲击，或者异常能量累积放电，可能引起Vcom电压极速爬升，超过Vd2s2承受值，导致Si MOSFET雪崩击穿，造成器件损坏，电路功能故障。关断后，参考如图6可知，两个级联器件的电压值存在分压关系，如果Vds主线电压持续增大，Vcom电压值也会持续增大，实际工作环境中，有可能达到或超过Vd2s2承受值临界，引起器件工作不稳定，器件温度急剧升高的风险。
[0015]现有的GaN HEMT Cascode级联器件在实际功率电路使用中，低压Si NMOS可能电气环境因过压或过流，而造成整个器件工作异常的风险，进而导致Cascode型氮化镓开关管的可靠性低，所以我们提出基于级联结构氮化镓功率器件应用的安全限压保护电路，用以解决上述所提到的问题。

技术实现思路

[0016]本技术的目的是为了解决现有技术中存在的GaN HEMTCascode级联器件在实际功率电路使用中，低压Si NMOS可能电气环境因过压或过流，而造成整个器件工作异常的风险，进而导致Cascode 型氮化镓开关管的可靠性低的缺点，而提出的基于级联结构氮化镓功率器件应用的安全限压保护电路。
[0017]为了实现上述目的，本技术采用了如下技术方案：
[0018]基于级联结构氮化镓功率器件应用的安全限压保护电路，包括主控电路、Cascode GaN HEMT和门驱动电路，所述主控电路与门驱动电路连接，所述门驱动电路与Cascode GaN HEMT的G端口连接，所述Cascode GaN HEMT的Com端口电性连接有用于防浪涌过压的安全限压保护电路。
[0019]优选地，所述安全限压保护电路包括电性连接在Cascode GaNHEMT的Com端口的TVS管，所述TVS管的另一端与Cascode GaN HEMT 的S端口电性连接，使用一个TVS钳位保护Vcom电压。
[0020]优选地，所述安全限压保护电路包括电性连接在Cascode GaNHEMT的Com端口的TVS管，所述TVS管的另一端接地，所述主控制电路与Cascode GaN HEMT的S端口并联并电性连接有同一个采样电阻，所述采样电阻接地。
[0021]优选地，所述安全限压保护电路包括电性连接在Cascode GaNHEMT的Com端口的压敏电阻VDR，所述压敏电阻VDR的另一端与 Cascode GaN HEMT的S端口电性连接。
[0022]优选地，所述安全限压保护电路包括电性连接在Cascode GaNHEMT的Com端口的压敏电阻VDR，所述压敏电阻VDR的另一端接地，所述主控制电路与Cascode GaN HEMT的S端口并联并电性连接有同一个采样电阻，所述采样电阻接地。
[0023]优选地，所述TVS管与Cascode GaN HEMT的Com端口之间设置有电阻R，使用一个TVS管和电阻R，钳位保护Vcom电压，增加电阻R可以更方便有效的辅助限流匹配TVS管，降低TVS管的选型成本，更容易实现Vcoms被钳制在一个可控的电压范围。
[0024]优选地，将所述TVS管晶圆级封装，整合到Cascode器件封装的内部。
[0025]与现有技术相比，本技术的有益效果是：
[0026]1、本技术中，针对耗尽型氮化镓+低压si Nmos的Cascode 级联结构(实现增强型氮化镓管功能)，是对内部两管子组合特性做的一种补偿；
[0027]2、本实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于级联结构氮化镓功率器件应用的安全限压保护电路，包括主控电路、Cascode GaN HEMT和门驱动电路，其特征在于，所述主控电路与门驱动电路连接，所述门驱动电路与Cascode GaN HEMT的G端口连接，所述Cascode GaN HEMT的Com端口电性连接有用于防浪涌过压的安全限压保护电路。2.根据权利要求1所述的基于级联结构氮化镓功率器件应用的安全限压保护电路，其特征在于，所述安全限压保护电路包括电性连接在Cascode GaN HEMT的Com端口的TVS管，所述TVS管的另一端与Cascode GaN HEMT的S端口电性连接。3.根据权利要求1所述的基于级联结构氮化镓功率器件应用的安全限压保护电路，其特征在于，所述安全限压保护电路包括电性连接在Cascode GaN HEMT的Com端口的TVS管，所述TVS管的另一端接地，所述主控制电路与Cascode GaN HEMT的S...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘箭，吕勇，钱晓伟，
申请(专利权)人：上海浪新数据技术股份有限公司，
类型：新型
国别省市：