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    • 专利摘要:
    本实用新型提供了一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，包括设置在半桥电路的功率回路中的电感L，以及监测模块，以及与监测模块的输出端连接的短路保护控制模块的一输入端、第一软关断模块；短路保护控制模块的输出端连接第一栅极驱动模块的输入端；第一栅极驱动模块的输出端和第一软关断模块的输出端分别连接至氮化镓晶体管的栅极；电感L两端的电压大于参考电压时，监测模块分别向短路保护模块、第一软关断模块发出短路触发信号，以使得短路保护模块控制第一栅极驱动模块关断栅极驱动信号，第一软关断模块将氮化镓晶体管的栅极电压拉低。上述的具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，可以快速的保护氮化镓器件免受过流击穿故障。
    公开号:CN214337546U
    申请号:CN202022744703.9U
    申请日:2020-11-24
    公开日:2021-10-01
    发明作者:叶念慈；刘洋；刘成；何俊蕾
    申请人:Xiamen Sanan Integrated Circuit Co Ltd；
    IPC主号:H02H7-12
    专利说明:
    [n0001] 本实用新型涉及一种电子元器件，尤其涉及晶体管。
    [n0002] 氮化镓增强模式高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)在效率、封装尺寸和开关速度方面均优于其他传统功率晶体管，因而可以在功率转换器应用中提高功率密度。但与传统功率晶体管相比，GaN HEMT的短路耐受时间较短。因此需要可靠、快速的保护方案来保护GaNHEMT免受致命的电流故障。传统的基于PCB的保护电路由于存在外部连线的寄生电感电阻，会增加保护电路的反应时间，降低反应速度。
    [n0003] 本实用新型所要解决的主要技术问题是提供一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，可以快速的保护氮化镓器件免受过流击穿故障。
    [n0004] 为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，其特征在于包括:设置在半桥电路的功率回路中的电感L，以及将电感L两端的电压与参考电压进行比较的监测模块，以及与所述监测模块的输出端连接的短路保护控制模块的一输入端、第一软关断模块；所述半桥电路还包括第一氮化镓晶体管E1和第二氮化镓晶体管E2，所述短路保护控制模块的输出端连接第一栅极驱动模块的输入端；所述第一栅极驱动模块的输出端和第一软关断模块的输出端分别连接至半桥电路的第一氮化镓晶体管E1的栅极；
    [n0005] 所述电感L两端的电压大于参考电压时，所述监测模块分别向短路保护模块、第一软关断模块发出短路触发信号，以使得短路保护模块控制第一栅极驱动模块关断栅极驱动信号，第一软关断模块将第一氮化镓晶体管的栅极电压拉低。
    [n0006] 在一较佳实施例中：所述第一软关断模块包括增强型HEMT器件和调整关断速度的电阻；所述增强型HEMT器件的栅极与监测模块的输出端连接，源极接地，漏极通过所述电阻连接至第一氮化镓晶体管E1的栅极。
    [n0007] 在一较佳实施例中：还包括第二栅极驱动电路和第二软关断模块；
    [n0008] 所述第二软关断模块包括增强型HEMT器件和调整关断速度的电阻；
    [n0009] 所述短路保护控制模块的输出端连接第二栅极驱动模块的输入端；所述第二栅极驱动模块的输出端和第二软关断模块的输出端分别连接至半桥电路的第二氮化镓晶体管E2的栅极；
    [n0010] 所述第二软关断模块的增强型HEMT器件的栅极与监测模块的输出端连接，源极接地，漏极通过所述第二软关断模块的电阻连接至第二氮化镓晶体管E2的栅极。
    [n0011] 在一较佳实施例中：所述短路保护模块由第一或非门F1和第二或非门F2构成；
    [n0012] 所述监测模块的输出端分别连接至第一或非门F1第一输入端、第二或非门F2第一输入端，第一或非门F1的第二输入端、第二或非门F2第一输入端分别连接至PWM驱动信号；第一或非门F1的输出端连接至所述第一栅极驱动模块；第二或非门F2的输出端连接至所述第二栅极驱动模块。
    [n0013] 在一较佳实施例中：所述监测模块包括RC滤波器、钳位电路、比较器；
    [n0014] 所述RC滤波器并联在电感L的两端；比较器的正极输入端连接至RC滤波器中第四电阻R4和第一电容C1的同名端，比较器的负极输入端连接至所述参考电压；所述钳位电路包括第一二极管D1和第二二极管D2；第一二极管D1的阳极连接至比较器的正极输入端，阴极接地；第二二极管D2的阴极连接至比较器的正极输入端，阳极接地。
    [n0015] 在一较佳实施例中：所述监测模块还包括与电感L串联的第三电阻R3。
    [n0016] 在一较佳实施例中：所述比较器包括由两个耗尽型HEMT器件和三个增强型HEMT器件；
    [n0017] 其中两个耗尽型HEMT器件的漏极相互连接，并连接至DC电源；两个耗尽型HEMT器件的栅极相互连接并连接至Vout；两个耗尽型HEMT器件的源极分别与一个增强型HEMT器件的漏极连接；这两个增强型HEMT器件的栅极分别与Vin1和Vin2连接，漏极相互连接并与剩下的一个增强型HEMT器件的漏极连接，剩下的一个增强型HEMT器件的栅极与Vb连接，源极接地。
    [n0018] 在一较佳实施例中：所述第一栅极驱动模块包括三个相同的反相器和一个图腾柱；
    [n0019] 所述反相器由一个增强型HEMT器件和耗尽型HEMT器件组成，图腾柱由两个增强型HEMT器件串联组成；
    [n0020] 三个反相器的增强型HEMT器件e4、e5、e6的栅极与源极短接，漏极接输入电源VDD；并且三个耗尽型HEMT器件d3、d4、d5的源极还分别与三个增强型HEMT器件e4、e5、e6的漏极连接；PWM驱动信号Vi连接第一级反相器的增强型HEMT器件e4的栅极，第一级反相器的增强型HEMT器件e4的漏极连接第二级反相器的增强型HEMT器件e5的栅极，第二级反相器的增强型HEMT器件e5的漏极连接第三级反相器的增强型HEMT器件e6的栅极和图腾柱中增强型HEMT器件e8的栅极，图腾柱中增强型HEMT器件e8的漏极连接图腾柱中增强型HEMT器件e7的栅极，图腾柱中增强型HEMT器件e7的漏极连接输入电源VDD，图腾柱中增强型HEMT器件e8的源极接地，图腾柱中增强型HEMT器件e7的源级与图腾柱中增强型HEMT器件e8的漏极相接，作为驱动信号V0的输出端口。
    [n0021] 在一较佳实施例中：所述电感L、监测模块、第一栅极驱动模块和软关断模块集成在单片氮化镓上，并通过互联金属互相连接。
    [n0022] 在一较佳实施例中：所述氮化镓晶体管包括由下至上设置的氮化镓衬底、欧姆接触层、钝化层、场板、栅极金属、第一互联介质层、第一互联金属层、第二互联介质层、第三互联介质层、第二互联金属层、顶层钝化层；
    [n0023] 其中第二互联金属层穿过第二互联介质层与第一互联金属层电连接；所述第二互联介质层设置在第一互联介质层与第二互联金属层之间。
    [n0024] 相较于现有技术，本实用新型的技术方案具备以下有益效果：
    [n0025] 1.本实用新型提出一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，通过在半桥电路的功率回路中加入检测的电流的电感来检测短路电流故障，再通过信号处理后，将生成的故障信号传递到第一栅极驱动模块，从而关断GaN HEMT器件。
    [n0026] 2.本实用新型提出一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，将电感L、监测模块、第一栅极驱动模块和软关断模块集成在单片氮化镓上，缩短了信号传输路径，减少了保护电路的反应时间。
    [n0027] 图1为本实用新型优选实施例1中半桥电路的模块图；
    [n0028] 图2为本实用新型优选实施例1中监测模块的电路图；
    [n0029] 图3为本实用新型优选实施例1中比较器的电路图；
    [n0030] 图4为本实用新型优选实施例1中栅极驱动模块的电路图；
    [n0031] 图5为本实用新型优选实施例1中氮化镓晶体管的分层结构图；
    [n0032] 图6为本实用新型优选实施例2中监测模块的电路图。
    [n0033] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
    [n0034] 在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
    [n0035] 在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
    [n0036] 实施例1
    [n0037] 参考图1，一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，其特征在于包括:设置在半桥电路的功率回路中的电感L，以及将电感L两端的电压与参考电压进行比较的监测模块，以及与所述监测模块的输出端连接的短路保护控制模块的一输入端、第一软关断模块、第二软关断模块；所述短路保护控制模块的输出端分别连接第一栅极驱动模块、第二栅极驱动模块的输入端；所述第一栅极驱动模块的输出端和第一软关断模块的输出端分别连接至第一氮化镓晶体管E1的栅极；所述第二栅极驱动模块的输出端和第二软关断模块的输出端分别连接至第二氮化镓晶体管E2的栅极；
    [n0038] 所述电感L两端的电压大于参考电压时，所述监测模块分别向短路保护模块、第一软关断模块、第二软关断模块发出短路触发信号，以使得短路保护模块控制第一栅极驱动模块、第二栅极驱动模块关断栅极驱动信号，第一软关断模块将第一氮化镓晶体管E1的栅极电压拉低、第二软关断模块将第二氮化镓晶体管E2的栅极电压拉低。
    [n0039] 上述的电路利用电感电流不能突变的原理，当半桥电路出现两个管子同时导通的短路情况时，流经半桥电路回路的电流会迅速增大，迅速增大的电流会在电感L上产生较大的压降。这样监测模块就可以监测到电感L两端的电压迅速增加，使其大于参考电压。这样监测模块就可以迅速对短路情况作出判断并进行反应，迅速完成对GaN HEMT的关断，起到短路保护的作用。
    [n0040] 以上实施例以第一氮化镓晶体管E1、第二氮化镓晶体管E2同时被关断为例，还可以仅关断两个氮化镓晶体管中的一个，属于本实施例的简单替换，不再赘述。
    [n0041] 本实施例中，所述第一氮化镓晶体管E1的漏极连接电源DC的正极，第一氮化镓晶体管E1的源极连接第二氮化镓晶体管E2的漏极，第二氮化镓晶体管E2的源极通过电感L连接至电源DC的负极。
    [n0042] 参考图2，本实施例中，所述第一软关断模块包括增强型HEMT器件E3和调整关断速度的电阻R1；第二软关断模块包括增强型HEMT器件E4和调整关断速度的电阻R2；所述增强型HEMT器件E3、E4的栅极分别与监测模块的输出端连接，源极接地，漏极分别通过所述第一电阻R1、第二R2连接至第一氮化镓晶体管E1、第二氮化镓晶体管E2的栅极。当监测模块的输出端输出高电平时，增强型HEMT E3、E4导通，第一氮化镓晶体管E1、第二氮化镓晶体管E2就通过增强型HEMT器件E3、E4接地，从而实现了将将氮化镓晶体管的栅极电压拉低。
    [n0043] 所述监测模块的输出端还连接至或非门的第一输入端，或非门的第二输入端连接至PWM驱动信号；或非门的输出端连接至所述第一栅极驱动模块、第二栅极驱动模块。这样在监测模块输出高电平时，或非门就输出监测模块的信号用于控制第一栅极驱动模块、第二栅极驱动模块，而检测模块没有输出高电平时，或非门就输出PWM驱动信号控制第一栅极驱动模块、第二栅极驱动模块。
    [n0044] 进一步参考图2，本实施例中，所述监测模块包括RC滤波器、钳位电路、比较器；
    [n0045] 所述RC滤波器并联在电感L的两端；比较器的正极输入端连接至RC滤波器中第四电阻R4和第一电容C1的同名端，比较器的负极输入端连接至所述参考电压；所述钳位电路包括第一二极管D1和第二二极管D2；第一二极管D1的阳极连接至比较器的正极输入端，阴极接地；第二二极管D2的阴极连接至比较器的正极输入端，阳极接地。
    [n0046] 进一步参考图3，所述比较器包括由两个耗尽型HEMT器件d1、d2和三个增强型HEMT器件e1、e2、e3；
    [n0047] 其中两个耗尽型HEMT器件d1、d2的漏极相互连接，并连接至DC电源；两个耗尽型HEMT d1、d2的栅极相互连接并连接至Vout；两个耗尽型HEMT器件d1、d2的源极分别与一个增强型HEMT器件e1、e2的漏极连接；这两个增强型HEMT器件e1、e2的栅极分别与Vin1和Vin2连接，漏极相互连接并与剩下的一个增强型HEMT器件e3的漏极连接，剩下的一个增强型HEMT器件e3的栅极与Vb连接，源极接地。
    [n0048] 参考图4，所述第一栅极驱动模块、第二驱动模块分别包括三个相同的反相器和一个图腾柱；
    [n0049] 所述反相器由一个增强型HEMT器件和耗尽型HEMT器件组成，图腾柱由两个增强型HEMT器件串联组成；
    [n0050] 三个反相器的增强型HEMT器件e4、e5、e6的栅极与源极短接，漏极接输入电源VDD；并且三个耗尽型HEMT器件d3、d4、d5的源极还分别与三个增强型HEMT器件e4、e5、e6的漏极连接；PWM驱动信号Vi连接第一级反相器的增强型HEMT器件e4的栅极，e4的漏极连接第二级反相器的增强型HEMT器件e5的栅极，e5的漏极连接第三级反相器的增强型HEMT器件e6的栅极和图腾柱中增强型HEMT器件e8的栅极，e3的漏极连接图腾柱中增强型HEMT器件e7的栅极，e7的漏极连接输入电源VDD，e8的源极接地，e7的源级与e8的漏极相接，作为驱动信号V0的输出端口。
    [n0051] 本实施例中，所述电感L、监测模块、第一栅极驱动模块、第二栅极驱动模块、第一软关断模块和第二软关断模块集成在单片氮化镓上，并通过互联金属互相连接。这样就缩短了信号传输路径，减少了保护电路的反应时间。
    [n0052] 具体来说，参考图5，所述氮化镓晶体管包括由下至上设置的氮化镓衬底1、欧姆接触层2、钝化层3、场板4、栅极金属5、第一互联介质层6、第一互联金属层7、第二互联介质层8、第三互联介质层9、第二互联金属层10、顶层钝化层11；
    [n0053] 其中第二互联金属层10穿过第二互联介质层8与第一互联金属层7电连接；所述第二互联介质层8设置在第一互联介质层6与第二互联金属层10之间。
    [n0054] 本实施例中，所述增强型HEMT器件为P-GaN E-mode HEMT，所述耗尽型HEMT器件为N-GaN D-mode HEMT。也可以使用其它的增强型或者耗尽型HEMT器件，本实施例中电容为MIM电容，也可以用P-GaN电容等其他类型电容；本实施例中电阻为二维电子气外延电阻，也可以使用金属电阻等其他类型电阻。
    [n0055] 实施例2
    [n0056] 参考图6，本实施例中的监测模块在实施例1的基础上，还包括与电感L串联的第三电阻R3。当流经电感的电流i随着时间t的变化率较小，电流较大时，通过第三电阻R3分压，电路也可以起到保护作用。
    [n0057] 需要说明的是，本实用新型的单片氮化镓器件的衬底可以为硅基、蓝宝石、碳化硅等。
    [n0058] 以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式；但本实用新型的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。
    权利要求:
    Claims (10)
    [0001] 1.一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，其特征在于包括:设置在半桥电路的功率回路中的电感(L)，以及将电感(L)两端的电压与参考电压进行比较的监测模块，以及与所述监测模块的输出端连接的短路保护控制模块的一输入端、第一软关断模块；所述半桥电路还包括第一氮化镓晶体管(E1)和第二氮化镓晶体管(E2)，所述短路保护控制模块的输出端连接第一栅极驱动模块的输入端；所述第一栅极驱动模块的输出端和第一软关断模块的输出端分别连接至半桥电路的第一氮化镓晶体管(E1)的栅极；
    所述电感(L)两端的电压大于参考电压时，所述监测模块分别向短路保护模块、第一软关断模块发出短路触发信号，以使得短路保护模块控制第一栅极驱动模块关断栅极驱动信号，第一软关断模块将第一氮化镓晶体管的栅极电压拉低。
    [0002] 2.根据权利要求1所述的一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，其特征在于：所述第一软关断模块包括增强型HEMT器件和调整关断速度的电阻；所述增强型HEMT器件的栅极与监测模块的输出端连接，源极接地，漏极通过所述电阻连接至第一氮化镓晶体管(E1)的栅极。
    [0003] 3.根据权利要求1所述的一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，其特征在于：
    还包括第二栅极驱动电路和第二软关断模块；
    所述第二软关断模块包括增强型HEMT器件和调整关断速度的电阻；
    所述短路保护控制模块的输出端连接第二栅极驱动模块的输入端；所述第二栅极驱动模块的输出端和第二软关断模块的输出端分别连接至半桥电路的第二氮化镓晶体管(E2)的栅极；
    所述第二软关断模块的增强型HEMT器件的栅极与监测模块的输出端连接，源极接地，漏极通过所述第二软关断模块的电阻连接至第二氮化镓晶体管(E2)的栅极。
    [0004] 4.根据权利要求3所述的一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，其特征在于：
    所述短路保护模块由第一或非门(F1)和第二或非门(F2)构成；
    所述监测模块的输出端分别连接至第一或非门(F1)第一输入端、第二或非门(F2)第一输入端，第一或非门(F1)的第二输入端、第二或非门(F2)第一输入端分别连接至PWM驱动信号；第一或非门(F1)的输出端连接至所述第一栅极驱动模块；第二或非门(F2)的输出端连接至所述第二栅极驱动模块。
    [0005] 5.根据权利要求1所述的一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，其特征在于：所述监测模块包括RC滤波器、钳位电路、比较器；
    所述RC滤波器并联在电感L的两端；比较器的正极输入端连接至RC滤波器中第四电阻(R4)和第一电容(C1)的同名端，比较器的负极输入端连接至所述参考电压；所述钳位电路包括第一二极管(D1)和第二二极管(D2)；第一二极管(D1)的阳极连接至比较器的正极输入端，阴极接地；第二二极管(D2)的阴极连接至比较器的正极输入端，阳极接地。
    [0006] 6.根据权利要求5所述的一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，其特征在于：所述监测模块还包括与电感(L)串联的第三电阻(R3)。
    [0007] 7.根据权利要求6所述的一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，其特征在于：所述比较器包括由两个耗尽型HEMT器件和三个增强型HEMT器件；
    其中两个耗尽型HEMT器件的漏极相互连接，并连接至DC电源；两个耗尽型HEMT器件的栅极相互连接并连接至Vout；两个耗尽型HEMT器件的源极分别与一个增强型HEMT器件的漏极连接；这两个增强型HEMT器件的栅极分别与Vin1和Vin2连接，漏极相互连接并与剩下的一个增强型HEMT器件的漏极连接，剩下的一个增强型HEMT器件的栅极与Vb连接，源极接地。
    [0008] 8.根据权利要求1所述的一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，其特征在于：所述第一栅极驱动模块包括三个相同的反相器和一个图腾柱；
    所述反相器由一个增强型HEMT器件和耗尽型HEMT器件组成，图腾柱由两个增强型HEMT器件串联组成；
    三个反相器的增强型HEMT器件(e4、e5、e6)的栅极与源极短接，漏极接输入电源(VDD)；并且三个耗尽型HEMT器件(d3、d4、d5)的源极还分别与三个增强型HEMT器件(e4、e5、e6)的漏极连接；PWM驱动信号Vi连接第一级反相器的增强型HEMT器件(e4)的栅极，第一级反相器的增强型HEMT器件(e4)的漏极连接第二级反相器的增强型HEMT器件(e5)的栅极，第二级反相器的增强型HEMT器件(e5)的漏极连接第三级反相器的增强型HEMT器件(e6)的栅极和图腾柱中第二增强型HEMT器件(e8)的栅极，图腾柱中第二增强型HEMT器件(e8)的漏极连接图腾柱中第一增强型HEMT器件(e7)的栅极，图腾柱中第一增强型HEMT器件(e7)的漏极连接输入电源VDD，图腾柱中第二增强型HEMT器件(e8)的源极接地，图腾柱中第一增强型HEMT器件(e7)的源级与图腾柱中第二增强型HEMT器件(e8)的漏极相接，作为驱动信号V0的输出端口。
    [0009] 9.根据权利要求1所述的一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，其特征在于：所述电感(L)、监测模块、第一栅极驱动模块和软关断模块集成在单片氮化镓上，并通过互联金属互相连接。
    [0010] 10.根据权利要求9所述的一种具有短路保护的氮化镓晶体管半桥电路，其特征在于：所述氮化镓晶体管包括由下至上设置的氮化镓衬底、欧姆接触层、钝化层、场板、栅极金属、第一互联介质层、第一互联金属层、第二互联介质层、第三互联介质层、第二互联金属层、顶层钝化层；
    其中第二互联金属层穿过第二互联介质层与第一互联金属层电连接；所述第二互联介质层设置在第一互联介质层与第二互联金属层之间。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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