CN105024676A - 高压自举式栅极驱动装置 - Google Patents

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Abstract

一种高压自举式栅极驱动装置，包括高端晶体管、低端晶体管、缓冲器、升压电容以及高压耗尽型晶体管。高端晶体管接收第一电源电压。缓冲器则依据偏压电压以提供高端驱动信号至高端晶体管。升压电容串接在基准电压以及偏压电压间。耗尽型晶体管的第一端耦接至第二电源电压，耗尽型晶体管的第二端耦接至偏压电压，且耗尽型晶体管的控制端接收参考接地电压。

Description

高压自举式栅极驱动装置
技术领域
本发明涉及一种栅极驱动装置，且特别涉及一种具有自举(booststrap)电路的栅极驱动装置。
背景技术
请参照图1，图1绘示已知的栅极驱动装置100的电路图。其中，栅极驱动装置100包括集成电路110、自举(booststrap，又称之为“靴带”)式二极管DB、升压电容CB以及晶体管Q1、Q2，栅极驱动装置100通过晶体管Q1、Q2的交互切换动作来提供电气信号以驱动作为负载的电感L1。
晶体管Q1以及Q2依序串接在电源电压VDC以及参考接地电压GND间，并分别接收集成电路110的高端驱动信号HO以及低端驱动信号LO以导通或断开。升压电容CB串接在基准电压VS以及集成电路110提供的偏压电压VB间。在当栅极驱动装置100进行运作时，晶体管Q2先行导通并使集成电路110提供电源电压VDD以通过自举式二极管DB对升压电容CB充电至电源电压VDD，并在当晶体管Q1导通且晶体管Q2断开后，升压电容CB会使偏压电压VB被推高至VDC+VDD，并使依据偏压电压VB来产生的高端驱动信号HO也对应被拉高至VDC+VDD。
在此，自举式二极管DB必须要有承受高电压的反向偏压的能力，以使当偏压电压VB被充高时，不会产生回灌的电流至电源电压VDD。因此，已知技术常采用额外的外挂于集成电路110外的自举式二极管DB来建构，这样的做法会造成电路成本的增加。
此外，已知技术亦有利用在集成电路110中设置晶体管开关以及控制电路，并通过控制电路控制晶体管开关的导通或断开以使升压电容CB进行推举，并防止有回灌的电流流至电源电压VDD的可能。这样的作法需要多余的控制电路来完成，同样需要较高的电路成本。
发明内容
本发明提供一种高压自举式栅极驱动装置，在低成本的考虑下，可有效减低集成电路中设置晶体管所产生的漏电流及电路成本。
本发明的高压自举式栅极驱动装置包括高端晶体管、低端晶体管、缓冲器、升压电容以及耗尽型晶体管(depletion transistor)。高端晶体管具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收第一电源电压。低端晶体管具有第一端、第二端以及控制端，其第一端耦接至高端晶体管的第二端，低端晶体管的第二端耦接至参考接地电压。缓冲器则依据偏压电压以提供高端驱动信号至高端晶体管的控制端，并提供低端驱动信号至低端晶体管的控制端。升压电容串接在基准电压以及偏压电压间。耗尽型晶体管具有第一端、第二端以及控制端，其第一端耦接至第二电源电压，耗尽型晶体管的第二端耦接至偏压电压，且耗尽型晶体管的控制端接收参考接地电压。
在本发明的一实施例中，上述的耗尽型晶体管为N型耗尽型晶体管(depletion transistor)也可为N型接面场效应晶体管。
在本发明的一实施例中，上述的耗尽型晶体管的基极耦接至该参考接地电压。
在本发明的一实施例中，上述的高端晶体管以及低端晶体管皆为N型晶体管。
在本发明的一实施例中，当上述的低端晶体管依据低端驱动信号而导通时，高端晶体管被断开，第二电源电压通过耗尽型晶体管以对升压电容充电，并使偏压电压等于耗尽型晶体管的一临界关闭电压，此作法也可自我稳压避免第二电源电压过高将偏压电压充至过高而使高端晶体管烧毁。当高端晶体管依据高端驱动信号而导通时，低端晶体管被断开，且偏压电压被上拉至等于第一电源电压加上临界关闭电压。
在本发明的一实施例中，上述的缓冲器包括高端缓冲器以及低端缓冲器。高端缓冲器耦接耗尽型晶体管的第二端、高端晶体管的控制端以及高端晶体管的第二端，高端缓冲器依据偏压电压以调整高端驱动信号的电压值。低端缓冲器耦接低端晶体管的控制端，并提供低端驱动信号。
在本发明的一实施例中，栅极驱动装置还包括核心电路。核心电路耦接高端缓冲器以及低端缓冲器，核心电路分别提供高端控制信号以及低端控制信号至高端缓冲器以及低端缓冲，其中，高端缓冲器以及低端缓冲器分别依据高端控制信号以及低端控制信号来分别产生高端驱动信号以及低端驱动信号。
在本发明的一实施例中，上述的高端驱动信号以及低端驱动信号皆为脉宽调制信号。
在本发明的一实施例中，上述的第一电源电压的电压值大于第二电源电压的电压值。
在本发明的一实施例中，上述的耗尽型晶体管的反向崩溃电压大于第一电源电压的电压值加上耗尽型晶体管的临界关闭电压的电压值。
基于上述，本发明在当高端晶体管断开时，通过耗尽型晶体管来在第二电源电压以及偏压电压间提供一个恒导通的路径，以使在当高端晶体管导通时，偏压电压可以被推举至高于第一电源电压的电压值。如此一来，高端晶体管所接收的高端驱动信号的电压值就可以高于第一电源电压并提升高端晶体管的工作效率。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1绘示已知的栅极驱动装置100的电路图。
图2绘示本发明一实施例的栅极驱动装置200的示意图。
图3A及图3B分别绘示本发明实施例的耗尽型晶体管充电及反向崩溃电流电压特性曲线图。
图4绘示本发明实施例的耗尽型晶体管的电流电压特性曲线图。
图5绘示本发明实施例的耗尽型晶体管不同临界关闭电压的电流电压特性曲线图。
【符号说明】
100、200：高压自举式栅极驱动装置
DB：自举式二极管
Q1、Q2：晶体管
L1：电感
110、210：集成电路
T1：高端晶体管
T2：低端晶体管
211：缓冲器
212：核心电路
CB：升压电容
DM：耗尽型晶体管
2111：高端缓冲器
2112：低端缓冲器
HO：高端驱动信号
LO：低端驱动信号
VS：基准电压
VB：偏压电压
GND：参考接地电压
VDD、VDC：电源电压
310～350：曲线
具体实施方式
请参照图2，图2绘示本发明一实施例的栅极驱动装置200的示意图。栅极驱动装置200包括高端晶体管T1、低端晶体管T2、缓冲器211、核心电路212、升压电容CB以及耗尽型晶体管(depletion transistor)DM。在本实施例中，缓冲器211、核心电路212以及耗尽型晶体管DM可以被设置在集成电路210中。高端晶体管T1以及低端晶体管T2可以为N型晶体管。
高端晶体管T1具有第一端、第二端以及控制端，高端晶体管T1的第一端接收电源电压VDC，高端晶体管T1的控制端耦接至缓冲器211以接收高端驱动信号HO，高端晶体管T1的第二端耦接至低端晶体管T2的第一端。低端晶体管T2的第二端则耦接至参考接地电压GND，而低端晶体管T2的控制端耦接至缓冲器211以接收低端驱动信号LO。
升压电容CB除耦接至基准电压VS外，其另一端点并耦接至缓冲器211，并且，升压电容CB耦接至缓冲器211的端点上提供偏压电压VB。
耗尽型晶体管DM具有第一端、第二端以及控制端。耗尽型晶体管DM的第一端耦接至第二电源电压VDD，耗尽型晶体管DM的第二端则耦接偏压电压VB，另外，耗尽型晶体管DM的控制端以及其基极端则皆耦接至参考接地电压GND。
在整体的动作方面，当栅极驱动装置200进行运作时，晶体管T2依据低端驱动信号LO而被导通，晶体管T1依据高端驱动信号HO而被断开，此时基准电压VS的电压值等于参考接地电压GND的电压值(例如等于0伏特)，而在耗尽型晶体管DM为N型耗尽型晶体管的条件下，耗尽型晶体管DM在导通的状态，并传送电源电压VDD以对升压电容CB充电，并使偏压电压VB的电压值等于耗尽型晶体管DM的临界关闭电压VTH。接着，晶体管T1依据高端驱动信号HO而被导通，晶体管T2依据低端驱动信号LO而被断开，并且，此时基准电压VS的电压值被推升至等于电源电压VDC的电压值，而偏压电压VB的电压值则通过升压电容CB被推举至等于电源电压VDC的电压值加上耗尽型晶体管DM的临界关闭电压VTH的电压值。
附带一提的，耗尽型晶体管DM也可以为N型接面场效应晶体管。
在另一方面，缓冲器211中包括高端缓冲器2111以及低端缓冲器2112来分别产生高端驱动信号HO以及低端驱动信号LO，高端缓冲器2111接收偏压电压VB以及基准电压VS来分别作为操作电源以及参考接地电源。在偏压电压VB的电压值被推举为等于VDC+VTH的条件下，高端缓冲器2111可产生电压值等于VDC+VTH的高端驱动信号HO，并藉此更降低高端晶体管T1的等校阻抗，提升高端晶体管T1的驱动效率。
值得注意的是，耗尽型晶体管DM的反向崩溃电压大于VDC+VTH，因此，在当偏压电压VB的电压值等于VDC+VTH时，耗尽型晶体管DM可以阻止电流通过被导通的高端晶体管T1回流至电源电压VDD。在本实施例中，电源电压VDC的电压值大于电源电压VDD的电压值。举例来说，电源电压VDC的电压值可以为600V，电源电压VDD的电压值可以为15V。
附带一提的，核心电路212耦接至高端缓冲器2111以及低端缓冲器2112的输入端，并分别传送高端控制信号以及低端控制信号至高端缓冲器2111以及低端缓冲2112的输入端。在此，高端缓冲器2111以及低端缓冲器2112分别依据高端控制信号以及低端控制信号来分别产生高端驱动信号HO以及低端驱动信号LO，且高端驱动信号HO以及低端驱动信号LO皆为脉宽调制信号。
由上述的说明可以得知，本发明实施例的栅极驱动装置200通过在电源电压VDD以及偏压电压VB间配置耗尽型晶体管DM，来使偏压电压VB的推举动作可以顺利地被完成。在此条件下，耗尽型晶体管DM可以通过内建在集成电路210中而不需要外挂的电子元件，并且，耗尽型晶体管DM并不需要设置对应的控制电路来管控其导通或断开的状态，有效节省电路所需的成本。
以下请同时参照图2、图3A以及图3B，其中，图3A及图3B分别绘示本发明实施例的耗尽型晶体管充电及反向崩溃电流电压特性曲线图。在图3A中，耗尽型晶体管DM的临界关闭电压VTH约等于16V，在当耗尽型晶体管DM的漏源极间的电压差大于16V的条件下，耗尽型晶体管DM会被对应关闭。此外，在图3B中，在当耗尽型晶体管DM的汲、源极间的电压差小于约800V的条件下，耗尽型晶体管DM都可以避免发生反向崩溃的现象。由此可知，应用图3B的耗尽型晶体管DM，在当在偏压电压VB的电压值被推举为等于VDC+VTH而VDC+VTH最大约为700V的条件下，耗尽型晶体管DM都可以有效避免发明电流回灌的现象。
另请参照图2及图4，其中，图4绘示本发明实施例的耗尽型晶体管的电流电压特性曲线图，在图4中，曲线310～350分别依序为耗尽型晶体管DM的源极(耦接至电源电压VDD)与栅极(耦接至参考接地电压GND)间的偏压由0～12V递增时的不同的电流电压特性曲线。由曲线310～350可以得知，通过控制栅极接收的电源电压的大小，可以控制耗尽型晶体管DM的临界关闭电压。也就是此方法也可通过控制栅极接收的电源电压的大小，可以控制偏压电压VB被推举的电压大小。此耗尽型晶体管DM的临界关闭电压也可简单于制造时调整以应须求，请参见图5，图5绘示不同临界关闭电压的耗尽型晶体管DM的电流电压特性曲线。
综上所述，本发明通过配置耗尽型晶体管在相对低的电源电压以及偏压电压间，在耗尽型晶体管预设为导通的前提下，耗尽型晶体管可提供推举电容充电的路径。并且，在推举电容进行偏压电压的推举动作后，耗尽型晶体管可阻断推举后的偏压电压以及相对低的电源电压间电流回流的路径。通过上述的方式，本发明不需要外挂的电子元件，也不需要设置额外的控制电路来管控推举电容的充电路径的导通或断开状态，有效节省电路所需的成本。

Claims (10)

1.一种高压自举式栅极驱动装置，包括：
高端晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收第一电源电压；
低端晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其第一端耦接至该高端晶体管的第二端，该低端晶体管的第二端耦接至参考接地电压；
缓冲器，依据偏压电压以提供高端驱动信号至该高端晶体管的控制端，并提供低端驱动信号低端晶体管的控制端；
升压电容，串接在基准电压以及该偏压电压间，其中该基准电压产生在该高端晶体管的第二端；
耗尽型晶体管，具有第一端、第二端以及控制端，其第一端耦接至第二电源电压，该耗尽型晶体管的第二端耦接至该偏压电压，且该耗尽型晶体管的控制端接收该参考接地电压。
2.如权利要求1所述的高压自举式栅极驱动装置，其中该耗尽型晶体管为N型耗尽型晶体管或为N型接面场效应晶体管。
3.如权利要求2所述的高压自举式栅极驱动装置，其中该耗尽型晶体管的基极耦接至该参考接地电压。
4.如权利要求1所述的高压自举式栅极驱动装置，其中该高端晶体管以及该低端晶体管皆为N型晶体管。
5.如权利要求1所述的高压自举式栅极驱动装置，其中当该低端晶体管依据该低端驱动信号而导通时，该高端晶体管被断开，该第二电源电压通过该耗尽型晶体管以对该升压电容充电，并使该偏压电压等于该耗尽型晶体管的临界关闭电压，其中当该高端晶体管依据该高端驱动信号而导通时，该低端晶体管被断开，且该偏压电压被上拉至等于该第一电源电压加上该临界关闭电压。
6.如权利要求1所述的高压自举式栅极驱动装置，其中该缓冲器包括：
高端缓冲器，耦接该耗尽型晶体管的第二端、该高端晶体管的控制端以及该高端晶体管的第二端，依据该偏压电压以调整该高端驱动信号的电压值；以及
低端缓冲器，耦接该低端晶体管的控制端，并提供该低端驱动信号。
7.如权利要求6所述的高压自举式栅极驱动装置，还包括：
核心电路，耦接该高端缓冲器以及该低端缓冲器，该核心电路分别提供一高端控制信号以及一低端控制信号至该高端缓冲器以及该低端缓冲，
其中，该高端缓冲器以及该低端缓冲器分别依据该高端控制信号以及该低端控制信号来分别产生该高端驱动信号以及该低端驱动信号。
8.如权利要求1所述的高压自举式栅极驱动装置，其中，该高端驱动信号以及该低端驱动信号皆为脉宽调制信号。
9.如权利要求1所述的高压自举式栅极驱动装置，其中该第一电源电压的电压值大于该第二电源电压的电压值。
10.如权利要求1所述的高压自举式栅极驱动装置，其中该耗尽型晶体管的反向崩溃电压大于该第一电源电压的电压值加上该耗尽型晶体管的临界关闭电压的电压值。
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