本發(fā)明涉及一種二極管，特別涉及一種基于無線能量傳輸應(yīng)用的整流二極管。

背景技術(shù)：

無線能量傳輸應(yīng)用中，常采用具有低開啟電壓的肖特基二極管來提高低功率輸入水平下的整流高效率；但是，由于半導(dǎo)體工藝局限性，具有低開啟電壓的肖特基二極管難以實現(xiàn)較高的截止電壓，即具有強低功率敏感度的肖特基二極管，難以實現(xiàn)高功率容量。在一些需要寬功率動態(tài)范圍的無線能量傳輸應(yīng)用中，具有低開啟電壓的肖特基二極管難以勝任。同時，半導(dǎo)體工藝決定低開啟電壓的肖特基二極管具有較大的飽和電流，即反向漏電流，降低整流器的整流效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于np溝道互補耗盡型mosfet整流二極管，具有低功率敏感度、高功率容量以及減小反向漏電流的特點。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種基于np溝道互補耗盡型mosfet整流二極管，包括耗盡型nmos管m1、耗盡型pmos管m2以及低開啟電壓的肖特基二極管d1，所述耗盡型nmos管m1的漏極接二極管d1的負(fù)極側(cè)，所述耗盡型pmos管m2的漏極接二極管d1的正極側(cè)，所述耗盡型nmos管m1的柵極接二極管d1的正極側(cè)，所述耗盡型pmos管m2的柵極接二極管d1的負(fù)極側(cè)。

本發(fā)明工作時，正向偏置條件下，耗盡型nmos管、耗盡型pmos管同時導(dǎo)通，電路結(jié)構(gòu)等價于低開啟電壓的肖特基二極管，以提高整理二極管低功率敏感度；反向偏置時，加載在耗盡型nmos管源、柵極電壓和加載在耗盡型pmos管柵、源極電壓大于閾值電壓時，耗盡型nmos管、耗盡型pmos管首先關(guān)閉，并在其漏、源兩極維持較大反向偏置電壓防止肖特基二極管擊穿，以提高整流二極管功率容量。同時，反向偏置耗盡型npmos管漏、源極提供反向電流路徑，而nmos管、pmos管的漏電流極小，在nmos管、pmos管擊穿之前保持此較小漏電流，因此基于np溝道互補耗盡型mos管的漏電流遠(yuǎn)小于d1。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明在低功率敏感度、高功率容量以及減小反向漏電流等方面有著優(yōu)越性能，通過在低開啟電壓的肖特基二極管d1兩端連接np溝道耗盡型mos管，使得二極管d1在具備低開啟電壓保持的前提下還具有較高的截至電壓，更好的起到保護(hù)二極管d1的作用。本發(fā)明可用于無線充電線路中的整流二極管。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，所述耗盡型nmos管m1的漏極接二極管d1的負(fù)極，耗盡型nmos管m1的源極作為mosfet整流二極管的輸出負(fù)極，所述耗盡型pmos管的漏極接二極管的正極，耗盡型pmos管的源極作為mosfet整流二極管的輸入正極。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，所述耗盡型nmos管m1的柵極接二極管d1的正極，所述耗盡型pmos管m2的柵極接二極管d1的負(fù)極。耗盡型pmos管m2的柵極與d1的負(fù)極相連以提供正向偏置下vgs,p<0，耗盡型nmos管m1的柵極與d1的正極相連以提供正向偏置下vgs,n>0，保證m1、m2在正向偏置下導(dǎo)通。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，所述耗盡型nmos管m1的柵極接耗盡型pmos管m2的源極，所述耗盡型pmos管m2的柵極接耗盡型nmos管m1的源極。耗盡型pmos管m2的柵極與耗盡型nmos管m1的源極相連以提供正向偏置下vgs,p<0，耗盡型nmos管m1的柵極與耗盡型pmos管m2的源極相連以提供正向偏置下vgs,n>0，保證m1、2在正向偏置下導(dǎo)通。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步限定，所述耗盡型nmos管設(shè)置有若干個，且相互之間串聯(lián)接在一起，即上一耗盡型nmos管的源極接下一耗盡型nmos管的漏極，所有耗盡型nmos管的柵極連接在一起后接mosfet整流二極管的輸入正極；所述耗盡型pmos管設(shè)置有若干個，且相互之間串聯(lián)接在一起，即上一耗盡型pmos管的漏極接下一耗盡型pmos管的源極，所有耗盡型pmos管的柵極連接在一起后接mosfet整流二極管的輸出負(fù)極。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中實施例1電路原理圖。

圖2為本發(fā)明中實施例2電路原理圖。

圖3為本發(fā)明中實施例3電路原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

實施例1

如圖1所示的一種基于np溝道互補耗盡型mosfet整流二極管，包括耗盡型nmos管m1、耗盡型pmos管m2以及低開啟電壓的肖特基二極管d1，所述耗盡型nmos管m1的漏極接二極管d1的負(fù)極，所述耗盡型pmos管m2的漏極接二極管d1的正極，所述耗盡型nmos管m1的柵極接二極管d1的正極，所述耗盡型pmos管m2的柵極接二極管d1的負(fù)極，耗盡型nmos管m1的源極作為mosfet整流二極管的輸出負(fù)極，耗盡型pmos管的源極作為mosfet整流二極管的輸入正極。

根據(jù)半導(dǎo)體知識，mos管的漏極、源極提供主要電流通路。

正向偏置電壓v加載在圖1所示的np溝道互補耗盡型mosfet整流二極管兩端時，nmos管、pmos管的漏、源極以及二極管d1對v進(jìn)行分壓，假設(shè)d1上的分壓為：vd1<vd<vth，（其中，vd1是二極管d1上的電壓，即正負(fù)極間電壓；vd是二極管d1開啟電壓，對于確定的二極管d1，vd也是確定的；vth是mos管開啟的閾值電壓，例如，對于耗盡型nmos來說，vgs,n>-vth時，mos管才能被開啟）即：

vd1+vsd,p+vds,n=v

根據(jù)圖3的電路連接方式和基爾霍夫電壓理論可知

vgs,p=-(vd1+vsd,p)

vgs,n=vd1+vds,n

由于正向偏置電壓v>0，電流路徑為pmos管的源極、漏極到d1正極，最終由d1負(fù)極流經(jīng)nmos管的漏極、源極，所以vd1>0，vsd,p>0，vds,n>0，即

vgs,p<0<vth

vgs,n>0>-vth

耗盡型nmos管、pmos管在正向偏置電壓下導(dǎo)通。

反向偏置電壓v’加載在圖1所示的整流二極管兩端時，反向電流路徑為nmos管的源極、漏極到d1負(fù)極，最終由d1正極流經(jīng)pmos管的漏極、源極，假設(shè)d1上的反向偏置電壓為vd1’<vd1|br(vd1|br是d1反向截止電壓)，所以

vsd,n+vds,p+vd1’=v’

反向偏置是電壓方向的反轉(zhuǎn)，所以電壓依然滿足v’>0，所以vd1’>0，vds,p>0，vsd,n>0，所以

vgs,p=vd1’+vds,p

vgs,n=-(vd1’+vsd,n)

隨著反向偏置電壓增加，當(dāng)vgs,p=vd1’+vds,p>vth，vgs,n=-(vd1’+vsd,n)<-vth時，由于m1、m2物理特性一致和其np溝道互補耗盡型mosfet整流二極管的電路結(jié)構(gòu)的對稱性，vsd,n=vds,p,所以nmos管、pmos管同時關(guān)閉，nmos管、pmos管維持大部分反向偏置電壓以提供d1的保護(hù)，所以對應(yīng)圖1的反向截至電壓可以表示為(vsd,n|br和vds,p|br分別是m1、m2的反向截止電壓)

vbr=vsd,n|br+vd1|br+vds,p|br。

實施例2

如圖2所示的一種基于np溝道互補耗盡型mosfet整流二極管，包括耗盡型nmos管m1、耗盡型pmos管m2以及低開啟電壓的肖特基二極管d1，所述耗盡型nmos管m1的漏極接二極管d1的負(fù)極，所述耗盡型pmos管m2的漏極接二極管d1的正極，所述耗盡型nmos管m1的柵極接耗盡型pmos管m2的源極，所述耗盡型pmos管m2的柵極接耗盡型nmos管m1的源極，耗盡型nmos管m1的源極作為mosfet整流二極管的輸出負(fù)極，耗盡型pmos管的源極作為mosfet整流二極管的輸入正極。

根據(jù)半導(dǎo)體知識，mos管的漏、源極提供主要電流路徑。

正向偏置電壓v加載在整流二極管兩端時，根據(jù)圖2的電路連接方式得到：

vgs,p=-v<vth

-vth<vgs,n=v

耗盡型nmos管、pmos管在正向偏置電壓下導(dǎo)通。

反向偏置電壓v’加載在圖2所示的整流二極管兩端時，反向電流路徑為nmos管的源、漏極到d1負(fù)極，最終由d1正極流經(jīng)pmos管的漏、源極，反向偏置是電壓方向的反轉(zhuǎn)，所以電壓依然滿足v’>0，所以vd1’>0，vds,p>0，vsd,n>0，所以

vgs,p=v’

vgs,n=-v’

隨著反向偏置電壓增加，當(dāng)vgs,p>vth，vgs,n<-vth時，npmos管m1和m2同時關(guān)閉，m1、m2維持大部分反向偏置電壓以提供d1的保護(hù)，所以對應(yīng)圖3的反向截至電壓可以表示為(vsd,n|br和vds,p|br分別是m1、m2的反向截止電壓)

vbr=vsd,n|br+vd1|br+vds,p|br。

圖1電路結(jié)構(gòu)和圖2電路結(jié)構(gòu)對比：

由于兩種結(jié)構(gòu)均是利用耗盡型npmos管，所以在正向偏置電壓下的導(dǎo)通特性相同，即正向偏置電壓下保證耗盡型nmos管m1、pmos管m2常開；

1.m1、m2關(guān)閉電壓：

反向偏置電壓下，對于圖1，vgs,p=v’-vsd,n，vgs,n=-(v’-vds,p)，同時滿足vsd,n>0，vds,p>0，而對于圖2，vgs,p=v’，vgs,n=-v’，反向偏置電壓直接加載在m1、m2的柵極和源極兩端，隨著反向偏置電壓v’的增加，圖2所示的np溝道互補耗盡型mos管整流二極管能夠在更小的反向偏置電壓下實現(xiàn)對m1、2的關(guān)斷以提供肖特基二極管d1的保護(hù)；

2.整流二極管的反向漏電流分析：

根據(jù)半導(dǎo)體相關(guān)知識，低開啟電壓的肖特基二極管d1的反向飽和漏電流很大，一般大于npmos管的反向飽和漏電流。上述分析可以得到圖1電路結(jié)構(gòu)中的m1和m2關(guān)閉時需要更大的反向偏置電壓，當(dāng)反向偏置電壓v’=vth時，圖2電路結(jié)構(gòu)中m1和m2關(guān)斷，而圖1中m1和m2依然保持開啟并且提供肖特基二極管d1的電流通路，所以對于圖1中存在一定電壓范圍，對應(yīng)的整流二極管的反向漏電流大于圖2所示二極管的漏電流。

實施例3

如圖3所示的一種基于np溝道互補耗盡型mosfet整流二極管，包括n個耗盡型nmos管m11-m1n、n個耗盡型pmos管m21-m2n以及1個低開啟電壓的肖特基二極管d1，n個耗盡型nmos管m11-m1n串聯(lián)在一起，即m11的源極與m12的漏極相連，m12的源極與m13的漏極相連，以此類推，m1n的源極作為mosfet整流二極管的輸出負(fù)極，m11的漏極接二極管d1的負(fù)極；n個耗盡型pmos管m21-m2n串聯(lián)在一起，即m21的源極與m22的漏極相連，m22的源極與m23的漏極相連，以此類推，m2n的源極作為mosfet整流二極管的輸入正極，m11-m1n之間的柵極連接在一起后接m2n的源極，m21-m2n之間的柵極連接在一起后接m1n的源極，m11漏極接二極管d1負(fù)極，m21漏極接二極管d2正極。

作為實施例2結(jié)構(gòu)的一種延拓，正向偏置電壓v加載在其兩端時，

vsd,p1+vsd,p2+…+vsd,pn+vd+vds,n1+vds,n2+…+vds,nn=v

所以對于m2有

vgs,p1=-v

vgs,p2=-v+vsd,p1

vgs,pn=-v+vsd,p1+…+vsd,p(n-1)

對于m1有

vgs,n1=v

vgs,n2=v-vds,n1

vgs,nn=v-vds,n1-…-vds,n(n-1)

電流路徑的分壓：vsd,p1+vsd,p2+…+vsd,pn+vd+vds,n1+vds,n2+…+vds,nn=v，所以

v>vsd,p1+vsd,p2+…+vsd,pn

v>vds,n1+vds,n2+…+vds,nn

對于任意電路延拓下的n，npmosfet滿足vgs,pn<0，vgs,nn>0，所以耗盡型npmosfet的互補耗盡型電路延拓依然滿足正向偏置條件下電路導(dǎo)通。

反向偏置電壓v’條件下，

vds,p1+vds,p2+…+vds,pn+vd’+vsd,n1+vsd,n2+…+vsd,nn=v’

所以對于m2有

vgs,p1=v’

vgs,p2=v-vds,p1

vgs,pn=v-vds,p1-…-vds,p(n-1)

對于m1有

vgs,n1=-v’

vgs,n2=-v’+vsd,n1

vgs,nn=-v’-vsd,n1-…-vsd,n(n-1)

電流路徑分壓vds,p1+vds,p2+…+vds,pn+vd’+vsd,n1+vsd,n2+…+vsd,nn=v’

由上述柵、源極的電壓關(guān)系看最先關(guān)斷的是最外圍的npmosfet，到mosfet全部關(guān)閉時將提供給d1足夠大的反向保護(hù)電壓，即

vbr=vsd,n1|br+…+vsd,nn|br+vd1|br+vds,p1|br+…+vds,pn|br

=n*(vsd,n|br+vds,p|br)+vd1|br。

本發(fā)明并不局限于上述實施例，在本發(fā)明公開的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)所公開的技術(shù)內(nèi)容，不需要創(chuàng)造性的勞動就可以對其中的一些技術(shù)特征作出一些替換和變形，這些替換和變形均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。