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一种氮化镓功率器件的过压保护电路及其方法

阅读：43发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种氮化镓功率器件的过压保护电路及其方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种氮化镓功率器件的过压保护电路及其方法，过压保护电路包括：过压吸收模块，连接于氮化镓功率器件的源极端和漏极端，用于在氮化镓功率器件的两端电压大于TVS管的击穿电压时，通过TVS管对其两端电压进行过压吸收；在其两端电压继续升高以使晶体管发生雪崩时，通过TVS管和晶体管对其两端电压进行电压钳位；采样模块，连接于过压吸收模块，用于采样流经TVS管的电流，并将采样电流按预设变比进行转换以获取采样电压；关断控制模块，连接于采样模块，用于在采样电压大于预设电压时产生关断信号以关断氮化镓功率器件。通过本发明解决了现有技术中氮化镓功率器件会因过压和异常驱动而被损坏的问题。，下面是一种氮化镓功率器件的过压保护电路及其方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种氮化镓功率器件的过压保护电路，其特征在于，所述过压保护电路包括：
过压吸收模块，连接于所述氮化镓功率器件的源极端和漏极端，用于在所述氮化镓功率器件的两端电压大于TVS管的击穿电压时，通过TVS管对所述氮化镓功率器件的两端电压进行过压吸收；在所述氮化镓功率器件的两端电压继续升高以使所述晶体管发生雪崩时，通过TVS管和晶体管对所述氮化镓功率器件的两端电压进行电压钳位；
采样模块，连接于所述过压吸收模块，用于采样流经所述TVS管的电流，并将采样电流按预设变比进行转换以获取采样电压；
关断控制模块，连接于所述采样模块，用于对采样电压和预设电压进行比较，并在所述采样电压大于所述预设电压时，产生关断信号以关断所述氮化镓功率器件。
2.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件的过压保护电路，其特征在于，所述过压吸收模块包括：TVS管、晶体管及保护电阻，所述TVS管的阴极端连接于所述氮化镓功率器件的漏极端，所述TVS管的阳极端连接于所述晶体管的漏极端，同时作为所述过压吸收模块的采样端，所述晶体管的源极端连接于所述氮化镓功率器件的源极端，所述晶体管的栅极端连接于所述保护电阻的一端，所述保护电阻的另一端连接于所述氮化镓功率器件的源极端。
3.根据权利要求2所述的氮化镓功率器件的过压保护电路，其特征在于，所述晶体管为MOS管或IGBT管。
4.根据权利要求2或3所述的氮化镓功率器件的过压保护电路，其特征在于，所述TVS管的钳位电压与所述晶体管的雪崩电压之和小于所述氮化镓功率器件漏源电压的1.2倍。
5.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件的过压保护电路，其特征在于，所述采样模块包括：电流采样电阻、电压采样电阻及采样变压器，所述电流采样电阻的一端连接于所述过压吸收模块的采样端，所述电流采样电阻的另一端连接于所述采样变压器的第一原边连接端，所述采样变压器的第二原边连接端连接于所述氮化镓功率器件的源极端，所述采样变压器的第一副边连接端连接于所述电压采样电阻的一端，同时作为所述采样模块的输出端，所述采样变压器的第二副边连接端连接于所述电压采样电阻的另一端，同时接地。
6.根据权利要求1所述的氮化镓功率器件的过压保护电路，其特征在于，所述关断控制模块包括：比较器，所述比较器的同相输入端接入所述预设电压，所述比较器的反相输入端连接于所述采样模块的输出端，所述比较器的输出端作为所述关断控制模块的输出端。
7.一种氮化镓功率器件的过压保护方法，其特征在于，所述过压保护方法包括：
在所述氮化镓功率器件的两端电压大于TVS管的击穿电压时，所述TVS管反向击穿，此时通过所述TVS管对所述氮化镓功率器件的两端电压进行过压吸收；
采样流经所述TVS管的电流，并将采样电流按预设变比进行转换以获取采样电压；对采样电压和预设电压进行比较，并在所述采样电压大于所述预设电压时，产生关断信号以关断所述氮化镓功率器件；
在所述氮化镓功率器件的两端电压继续升高以使所述晶体管发生雪崩时，通过所述TVS管和所述晶体管对所述氮化镓功率器件的两端电压进行电压钳位。
8.根据权利要求7所述的氮化镓功率器件的过压保护方法，其特征在于，所述TVS管的钳位电压与所述晶体管的雪崩电压之和小于所述氮化镓功率器件漏源电压的1.2倍。

说明书全文

一种氮化镓功率器件的过压保护电路及其方法

技术领域

[0001] 本发明涉及集成电路设计领域，特别是涉及一种氮化镓功率器件的过压保护电路及其方法。

背景技术

[0002] 当电路有浪涌、短路等情况发生时，氮化镓功率器件的两端电压可能会超出器件规定的电压，并且由于米勒电容的存在可能会导致氮化镓功率器件因驱动异常而开通，如果不能限制电压并将驱动关断，氮化镓功率器件会因此损害掉。

发明内容

[0003] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种氮化镓功率器件的过压保护电路及其方法，用于解决现有技术中氮化镓功率器件会因过压和异常驱动而被损坏的问题。

[0004] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种氮化镓功率器件的过压保护电路，所述过压保护电路包括：

[0005] 过压吸收模块，连接于所述氮化镓功率器件的源极端和漏极端，用于在所述氮化镓功率器件的两端电压大于TVS管的击穿电压时，通过TVS管对所述氮化镓功率器件的两端电压进行过压吸收；在所述氮化镓功率器件的两端电压继续升高以使所述晶体管发生雪崩时，通过TVS管和晶体管对所述氮化镓功率器件的两端电压进行电压钳位；

[0006] 采样模块，连接于所述过压吸收模块，用于采样流经所述TVS管的电流，并将采样电流按预设变比进行转换以获取采样电压；

[0007] 关断控制模块，连接于所述采样模块，用于对采样电压和预设电压进行比较，并在所述采样电压大于所述预设电压时，产生关断信号以关断所述氮化镓功率器件。

[0008] 可选地，所述过压吸收模块包括：TVS管、晶体管及保护电阻，所述TVS管的阴极端连接于所述氮化镓功率器件的漏极端，所述TVS管的阳极端连接于所述晶体管的漏极端，同时作为所述过压吸收模块的采样端，所述晶体管的源极端连接于所述氮化镓功率器件的源极端，所述晶体管的栅极端连接于所述保护电阻的一端，所述保护电阻的另一端连接于所述氮化镓功率器件的源极端。

[0009] 可选地，所述晶体管为MOS管或IGBT管。

[0010] 可选地，所述TVS管的钳位电压与所述晶体管的雪崩电压之和小于所述氮化镓功率器件漏源电压的1.2倍。

[0011] 可选地，所述采样模块包括：电流采样电阻、电压采样电阻及采样变压器，所述电流采样电阻的一端连接于所述过压吸收模块的采样端，所述电流采样电阻的另一端连接于所述采样变压器的第一原边连接端，所述采样变压器的第二原边连接端连接于所述氮化镓功率器件的源极端，所述采样变压器的第一副边连接端连接于所述电压采样电阻的一端，同时作为所述采样模块的输出端，所述采样变压器的第二副边连接端连接于所述电压采样电阻的另一端，同时接地。

[0012] 可选地，所述关断控制模块包括：比较器，所述比较器的同相输入端接入所述预设电压，所述比较器的反相输入端连接于所述采样模块的输出端，所述比较器的输出端作为所述关断控制模块的输出端。

[0013] 本发明还提供了一种氮化镓功率器件的过压保护方法，所述过压保护方法包括：

[0014] 在所述氮化镓功率器件的两端电压大于TVS管的击穿电压时，所述TVS管反向击穿，此时通过所述TVS管对所述氮化镓功率器件的两端电压进行过压吸收；

[0015] 采样流经所述TVS管的电流，并将采样电流按预设变比进行转换以获取采样电压；对采样电压和预设电压进行比较，并在所述采样电压大于所述预设电压时，产生关断信号以关断所述氮化镓功率器件；

[0016] 在所述氮化镓功率器件的两端电压继续升高以使所述晶体管发生雪崩时，通过所述TVS管和所述晶体管对所述氮化镓功率器件的两端电压进行电压钳位。

[0017] 可选地，所述TVS管的钳位电压与所述晶体管的雪崩电压之和小于所述氮化镓功率器件漏源电压的1.2倍。

[0018] 如上所述，本发明的一种氮化镓功率器件的过压保护电路及其方法，通过过压吸收模块、采样模块及关断控制模块的设计，不仅实现了对氮化镓功率器件两端电压的过压吸收，更基于电流采样实现了对氮化镓功率器件的及时关断控制，同时实现了高低压的隔离，从而避免了氮化镓功率器件因过压和异常驱动而发生损坏。附图说明

[0019] 图1显示为本发明所述过压保护电路的具体电路图。

[0020] 元件标号说明

[0021] 100 过压保护电路

[0022] 101 过压吸收模块

[0023] 102 采样模块

[0024] 103 关断控制模块

具体实施方式

[0025] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0026] 请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

[0027] 如图1所示，本实施例提供一种氮化镓功率器件的过压保护电路，所述过压保护电路100包括：

[0028] 过压吸收模块101，连接于所述氮化镓功率器件Q1的源极端和漏极端，用于在所述氮化镓功率器件Q1的两端电压大于TVS管的击穿电压VBR时，通过TVS管对所述氮化镓功率器件Q1的两端电压进行过压吸收；在所述氮化镓功率器件Q1的两端电压继续升高以使所述晶体管Q2发生雪崩时，通过TVS管和晶体管Q2对所述氮化镓功率器件Q1的两端电压进行电压钳位；

[0029] 采样模块102，连接于所述过压吸收模块101，用于采样流经所述TVS管的电流，并将采样电流按预设变比进行转换以获取采样电压Vtrig；

[0030] 关断控制模块103，连接于所述采样模块102，用于对采样电压Vtrig和预设电压Vs进行比较，并在所述采样电压Vtrig大于所述预设电压Vs时，产生关断信号以关断所述氮化镓功率器件Q1。

[0031] 作为示例，如图1所示，所述过压吸收模块101包括：TVS管、晶体管Q2及保护电阻R1，所述TVS管的阴极端连接于所述氮化镓功率器件Q1的漏极端，所述TVS管的阳极端连接于所述晶体管Q2的漏极端，同时作为所述过压吸收模块101的采样端，所述晶体管Q2的源极端连接于所述氮化镓功率器件Q1的源极端，所述晶体管Q2的栅极端连接于所述保护电阻R1的一端，所述保护电阻R1的另一端连接于所述氮化镓功率器件Q1的源极端。本示例中，所述晶体管Q2一直处于关断状态，在所述氮化镓功率器件Q1的两端电压大于所述TVS管的击穿电压VBR时，所述TVS管被反向击穿，此时通过所述TVS管对所述氮化镓功率器件Q1的两端电压进行过压吸收；而在所述氮化镓功率器件Q1的两端电压继续升高以使所述晶体管Q2发生雪崩时，通过所述TVS管和所述晶体管Q2对所述氮化镓功率器件Q1的两端电压进行电压钳位，以将其两端电压钳位在所述TVS管的钳位电压VCL与所述晶体管的雪崩电压Vav之和处，即(VCL+Vav)处。

[0032] 具体的，在实际应用中，所述晶体管Q2为MOS管或IGBT管，以利用其雪崩效应来实现电压钳位。当然，实际应用中，所述TVS管和所述晶体管Q2可根据所述氮化镓功率器件Q1的漏源电压VDS_Q1来进行选择，具体满足如下关系：所述TVS管的钳位电压VCL与所述晶体管Q2的雪崩电压Vav之和小于所述氮化镓功率器件Q1漏源电压VDS_Q1的1.2倍，即VCL+Vav<1.2VDS_Q1，以使本示例所述过压保护电路的过压保护效果达到最佳；如所述氮化镓功率器件Q1的漏源电压VDS_Q1约为650V，那么在进行器件选择时，可以选取钳位电压VCL约为600V的TVS管和雪崩电压约为65V的晶体管，此时600+65<650*1.2＝780。

[0033] 作为示例，如图1所示，所述采样模块102包括：电流采样电阻R2、电压采样电阻R3及采样变压器T1，所述电流采样电阻R2的一端连接于所述过压吸收模块101的采样端，所述电流采样电阻R2的另一端连接于所述采样变压器T1的第一原边连接端，所述采样变压器T1的第二原边连接端连接于所述氮化镓功率器件Q1的源极端，所述采样变压器T1的第一副边连接端连接于所述电压采样电阻R3的一端，同时作为所述采样模块102的输出端，所述采样变压器T1的第二副边连接端连接于所述电压采样电阻R3的另一端，同时接地。本示例中，所述电流采样电阻R2采样流经所述TVS管的电流，并将该采样电流按所述采样变压器T1的变比进行转换后，在电压采样电阻R3的一端产生采样电压Vtrig；实际应用中，由于流经所述TVS管的电流比较小，故所述采样变压器T1的尺寸可以做的很小，从而节省成本和电路面积。需要注意的是，所述电流采样电阻R2的阻值、所述电压采样电阻R3的阻值及所述采样变压器T1的变比可根据实际需要进行设定，本示例并不对其进行限定。

[0034] 作为示例，如图1所示，所述关断控制模块103包括：比较器CMP，所述比较器CMP的同相输入端接入所述预设电压Vs，所述比较器CMP的反相输入端连接于所述采样模块102的输出端，所述比较器CMP的输出端作为所述关断控制模块103的输出端。本示例中，在所述采样电压Vtrig大于所述预设电压Vs时，所述比较器CMP输出低电平以控制所述氮化镓功率器件Q1及时关断，从而避免所述氮化镓功率器件Q1因其栅漏两端存在的米勒电容而出现驱动异常(即导通)的问题。实际应用中，可通过所述预设电压Vs的数值设定，来决定当流经所述TVS管的电流多大时对所述氮化镓功率器件Q1进行关断操作，当然也需要配合所述采样模块102中各器件的数值设定。

[0035] 本实施例还提供一种氮化镓功率器件的过压保护方法，所述过压保护方法包括：

[0036] 在所述氮化镓功率器件的两端电压大于TVS管的击穿电压时，所述TVS管反向击穿，此时通过所述TVS管对所述氮化镓功率器件的两端电压进行过压吸收；

[0037] 采样流经所述TVS管的电流，并将采样电流按预设变比进行转换以获取采样电压；对采样电压和预设电压进行比较，并在所述采样电压大于所述预设电压时，产生关断信号以关断所述氮化镓功率器件；

[0038] 在所述氮化镓功率器件的两端电压继续升高以使所述晶体管发生雪崩时，通过所述TVS管和所述晶体管对所述氮化镓功率器件的两端电压进行电压钳位。

[0039] 在实际应用中，所述晶体管Q2为MOS管或IGBT管，以利用其雪崩效应来实现电压钳位。当然，实际应用中，所述TVS管和所述晶体管Q2可根据所述氮化镓功率器件Q1的漏源电压VDS_Q1来进行选择，具体满足如下关系：所述TVS管的钳位电压VCL与所述晶体管Q2的雪崩电压Vav之和小于所述氮化镓功率器件Q1漏源电压VDS_Q1的1.2倍，即VCL+Vav<1.2VDS_Q1，以使本示例所述过压保护电路的过压保护效果达到最佳。

[0040] 综上所述，本发明的一种氮化镓功率器件的过压保护电路及其方法，通过过压吸收模块、采样模块及关断控制模块的设计，不仅实现了对氮化镓功率器件两端电压的过压吸收，更基于电流采样实现了对氮化镓功率器件的及时关断控制，同时实现了高低压的隔离，从而避免了氮化镓功率器件因过压和异常驱动而发生损坏。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

[0041] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

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