CN105391435B - 用于驱动晶体管的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于驱动晶体管的系统和方法。根据实施例，一种用于驱动切换晶体管的控制端的电路包括驱动器，驱动器包括被配置为耦合至切换晶体管的控制端的输出端、被配置为耦合至浮置电源的第一端的第一电源端、被配置为耦合至浮置电源的第二端的第二电源端以及被配置为接收切换信号的切换输入端。该电路还包括偏置电路，其具有被配置为耦合至浮置电源的共模控制端的输出端，其中偏置电路被配置为提供依赖于时间的电压。

Description

用于驱动晶体管的系统和方法
相关申请的交叉参考
本申请涉及以下共同未决和共同受让的专利申请：2014年8月29日提交的代理案号为INF 2014 P 50933 US的序列号14/473,300，其全部内容以引用的方式引入本申请。
技术领域
本发明总体上涉及电子设备，更具体地，涉及用于驱动晶体管的系统和方法。
背景技术
高压切换晶体管(诸如功率MOSFET、结型场效应晶体管(JFET)和氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT))通常被用作高压和高功率设备(诸如切换模式电源、电机控制器和以及高压和高功率切换电路)中的半导体开关。这些器件中的一些(诸如GAN HEMT)具有以非常高的电压进行操作而没有器件被击穿或损伤的能力。
一些器件(诸如JFET和GAN HEMT)可以被制造为具有负阈值电压，从而在这些晶体管的栅极和源极两端为零电压时使器件导通。这种器件因此被称为“常导通”器件或晶体管，因为这些器件在零偏置条件下有效导通。当使用这种常导通器件时，通常规定来确保生成电压以保证常导通器件可以关断。例如，在开关模式电源中使用的驱动器电路中，根据需要生成或提供负电压，其具有充分低于常导通器件的阈值的电压，来确保器件实际上关断。
发明内容
根据一个实施例，一种用于驱动切换晶体管的控制端的电路包括驱动器，驱动器具有被配置为耦合至切换晶体管的控制端的输出端、被配置为耦合至浮置电源的第一端的第一电源端、被配置为耦合至浮置电源的第二端的第二电源端以及被配置为接收切换信号的切换输入端。该电路还包括偏置电路，其具有被配置为耦合至浮置电源的共模控制端的输出端，其中偏置电路被配置为提供依赖于时间的电压。
附图说明
为了更好的理解本发明及其优势，结合附图进行以下描述，其中：
图1a至图1c示出了传统的切换驱动系统；
图2示出了根据一个实施例的切换驱动系统；
图3示出了根据另一实施例的切换驱动系统；
图4示出了根据又一实施例的切换驱动系统；
图5示出了复制件晶体管电路的实施例；以及
图6示出了实施例方法的流程图。
不同附图中的对应数字和符号通常表示对应的部件，除非另有指定。绘制附图以清楚地示出优选实施例的相关方面并且不需要按比例绘制。为了更清楚地示出特定实施例，表示相同结构、材料或处理步骤的变化可以跟随附图的数字。
具体实施方式
以下详细讨论优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了可以在各种具体条件下实施的许多可应用发明概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。
将参照用于驱动常导通切换晶体管的系统和方法的具体条件中的实施例描述本发明。本发明的实施例还可以应用于利用常导通晶体管的各种系统，诸如切换模式电源、电机控制器和其他电路。实施例还可以涉及驱动常关断晶体管。
在本发明的实施例中，电路被配置为驱动切换晶体管的控制端。切换晶体管可以具有负阈值，诸如JFET、氮化镓(GaN)HEMT、耗尽模式MOSFET或其他具有负阈值的晶体管，或者可以具有正阈值，诸如增强模式MOSFET。驱动器包括耦合至浮置电源的电源端。浮置电源可以产生耦合至驱动器的电源端的正电压和负电压。在操作期间，驱动器施加浮置电源的正电压以导通切换晶体管，并施加浮置电源的负电压以关断切换晶体管。还设置共模偏置电路以偏置浮置电源的共模或平均电压。在一些实施例中，这种共模电压可以产生依赖于时间的电压，其可以取决于各种参数。
在一个具体实例中，这种共模电压可以依赖于被驱动的晶体管或者其复制器件的阈值。在一个这样的实施例中，共模电压被设置为处于或者大约为切换晶体管的阈值。本发明的实施例可以应用于具有负、正和/或零阈值的驱动切换晶体管。
图1a示出了传统的切换驱动系统100，其包括电压源106、驱动电路104和常关断晶体管102。如图所示，从与晶体管102的源极电位S相关的电压源106向驱动器104提供固定电压VP。晶体管102的阈值电压Vth是栅极-源极电压电平，其限定“导通”和“关断”状态之间的转换。在“常关断”晶体管102中发现正阈值Vth的情况下，所示电源方案利用单个正电压源106。在系统100的操作期间，驱动器104在常关断晶体管102的栅极G处施加电压VP。如果电压VP大于常关断晶体管102的阈值Vth，则常关断晶体管102导通。类似地，如果电压源106的负端处的电压被施加给常关断晶体管102的栅极G，则常关断晶体管关断。
图1b示出了传统的切换驱动系统120，其包括电压源126、驱动电路124和常导通晶体管122。如图所示，从与晶体管122的源极电位S相关的电压源126向驱动电路124提供固定电压VN。类似于图1b所示的常关断晶体管102，晶体管122的阈值电压Vth是栅极-源极电压电平，其限定“导通”和“关断”状态之间的转换。然而，在常导通晶体管122的情况下，该阈值Vth是负电压，意味着常导通晶体管122的栅极G处的电压被拉至小于源极节点S的电压的电压电位来关断常导通晶体管122。因此，如果电压源126的电压电位VN超过常导通晶体管122的负阈值Vth，则常导通晶体管可以通过在电压源126的负端处施加电压来关断。然而，当常导通晶体管122的栅极-源极电压为零电压时，常导通晶体管122导通。
在被驱动的晶体管的阈值Vth为低电位或接近地的正或负电压的情况下，双极驱动方案可用于确保晶体管导通和关断。图1c示出了传统的双极切换驱动系统130，其包括正电压源134、负电压源136、驱动电路138和晶体管132。当晶体管132导通时，由正电压源134产生的电压VP被施加给晶体管132的栅极连接G。类似地，当晶体管132关断时，由负电压源136产生的电压VN被施加给晶体管132的栅极连接G。使用这种双极驱动方案可以在阈值Vth为低电压时提高切换性能，并且可以提供裕度来确保晶体管132适当地切换。例如，如果晶体管132的阈值Vth大约为1V，则具有12V的正电源的驱动晶体管132可以提供对称驱动电压。在这种情况下，使用负电压源136帮助确保晶体管132利用充分的过驱动而关断。
由于晶体管的阈值Vth可以随温度变化、工艺变化、统计变化、漂移效果和其他因素而改变，所以通常在传统驱动电路的设计中考虑这些变化。例如，如果常导通晶体管的阈值Vth在-5V和-9V之间改变，则传统系统中的负电源提供被配置为提供足够的过驱动来关断晶体管的负电压。在该实例中，当常导通晶体管的阈值Vth为-9V时，在最坏的情况下-11V的负电压提供2V的过驱动来关断晶体管。
在一个实施例中，用于栅极驱动器的电源与对应于切换阈值的栅极电位相关，例如，VG＝VS+Vth。换句话说，驱动电平与VS+Vth相关而非直接与VS相关。因此，正栅极驱动电平(“on”)可以表示为Vth+VP(正过驱动)，并且负电平(“off”)可以表示为Vth-VN。然而，在真正的操作条件下，由于温度和其他漂移效果的变化，瞬时阈值Vth可以随时间变化。
图2示出了切换驱动系统200，其包括正电压源206、负电压源208、驱动电路204和晶体管202。晶体管202可以使用各种类型的晶体管来实施。例如，晶体管202可以包括但不限于功率MOSFET晶体管、GaN HEMT、JFET、增强模式MOSFET、耗尽模式MOSFET或双极结晶体管(BJT)。
在一些实施例中，正电压源206、负电压源208的组合形成浮置电源，其共模电压可以通过向耦合在正电压源206和负电压源208之间的公共节点220施加电压来设置。通过在公共节点220和晶体管202的源极节点S之间耦合电压源210，驱动电路204的共模输出可以被设置为对应于晶体管202的随时间变化的阈值Vth(t)或者任何其他依赖于时间的电压。在电压源206和208的输出跟踪晶体管202的阈值电压的一些实施例中，正电压源206的电压VP和负电压源208的电压VN可以被选择而不考虑晶体管202的阈值变化。在这种实施例中，VP和VN的最小值可以根据切换动态(switching dynamics)来选择。
例如，在一个实施例中，电压源206和208均被设置为产生大约3V的电压，并且电压源210被配置为提供接近晶体管202的阈值电压的电压。因此，如果晶体管202的阈值电压接近大约-5V，则电压源210提供大约-5V的电压，电压源206的正端提供大约-2V的电压，并且电压源208的负端提供大约-8V的电压。在可选实施例中，可以根据特定系统及其规格来使用其他电压电平。
可使用本领域已知的功率电路来实施电压源206和208。例如，切换模式电源、电源调节器、电池以及其他电源电路和系统可用于实施电压源206和208。例如，可以使用本领域已知的各种偏置电路和/或电源电路来实施电压源210。在一些实施例中，可以使用晶体管202的复制件来实现电压源210以产生接近晶体管202的阈值Vth的电压。可以使用本领域已知的驱动电路来实施驱动电路204，诸如来自Infineon EiceDRIVER家族的驱动器或者Texas Instruments UCC27x系列驱动器。
图3示出了根据本发明实施例的切换驱动系统300。如图所示，晶体管复制件电路306生成依赖于时间的电压V(t)，其耦合至浮置电源302的共模端VCM。在一个实施例中，浮置电源302在终端VP处产生一电压，该电压大于终端VCM处的电压的电压电位，并且在终端VN处产生一电压，该电压小于终端VCM处的电压的电压电位。有效地，终端VP和VN处的电压跟踪由晶体管复制件电路306所产生的电压V(t)。
在一个实施例中，通过使用具有与晶体管202类似的结构和/或器件几何形状的晶体管，晶体管复制件电路306产生接近和/或与晶体管202的阈值电压相关的电压V(t)。电压V(t)可随时间变化以跟踪阈值相对于温度、漂移效应和可影响晶体管复制件电路306中的晶体管和复制器件的阈值的其他参数变化的变化。在可选实施例中，可以通过晶体管复制件电路306外的其他类型的电路来产生电压V(t)。
驱动电路304具有耦合至浮置电源302的终端VP和VN的电源端。在一个实施例中，驱动电路根据驱动电路304的输入VSW处的切换信号交替地在晶体管202的栅极连接G处施加浮置电源302的终端VP和VN处的电压。例如，在一个实施例中，当输入VSW处的信号为逻辑HIGH时，驱动电路304施加浮置电源302的终端VP处的电压，而当输入VSW处的信号为逻辑LOW时，驱动电路304施加浮置电源302的终端VN处的电压。可选地，可以反转输入VSW的逻辑状态(sense)与施加给晶体管202的栅极的电压之间的关系。在一些实施例中，驱动电路304的输出可以在其电源连接与其输出端之间引入压降。
图4示出了根据本发明又一实施例的切换驱动系统400，其中，使用晶体管414的中心抽头绕组416和418来实施浮置电源。在一个实施例中，绕组416和418可以是切换模式电源(诸如反激式变换器)的变压器的次级和/或辅助绕组。在一些实施例中，变压器414可以包括耦合至初级侧切换模式电源电路装置(为了简化说明未示出)的初级绕组430。这种初级侧切换模式电源电路装置的实施和操作可以使用本领域已知的电路和方法来实施。
切换驱动系统400包括晶体管202以及被配置为向晶体管202的栅极施加切换信号VSW的驱动电路402。晶体管202可以是任何类型的晶体管，其例如具有正阈值电压或负阈值电压。驱动电路402的正电源端422经由二极管410耦合至变压器414的绕组416，并且驱动电路402的负电源端424经由二极管412耦合至变压器414的绕组418。二极管410和412整流变压器414的绕组416和418中的电流。在一些实施例中，二极管410和412可以使用操作为同步整流器的切换晶体管来实施。耦合至二极管410和412的电容器406和408提供过滤和衰减电源波纹。
单位增益缓冲放大器404被配置为将电压V(t)缓冲至变压器414的中心抽头连接432。例如，电压V(t)可以表示接近晶体管202的阈值的电压。可选地，电压V(t)可以是任何依赖于时间的电压。在许多实施例中，V(t)的时间变化与切换瞬变相比较慢。然后，耦合在晶体管202的源极节点S和单位增益缓冲放大器404的输出之间的电容器C阻挡共模电源分量V(t)，但提供用于快速切换瞬变的低阻抗路径。
以单位增益反馈结构示出的放大器404可以使用跨导放大器、运算放大器或本领域已知的其他类型的放大器来实施。在可选实施例中，可以使用单位增益结构外的其他放大器结构。例如，可以使用具有小于1或大于1的增益的放大器。在一些实施例中，可以省略放大器404。应该理解，系统400仅仅是许多示例性实施例中一种，其可以用于实施示例性晶体管驱动电路和系统。在可选实施例中，可以使用其他电路架构和拓扑。
图5示出了用于基于被驱动的切换晶体管的复制件来生成依赖于时间的电压V(t)的示例性实施例的电路。如图所示，复制件晶体管508以二极管连接结构耦合，其漏极耦合至其栅极。电压源506可以耦合在复制件晶体管508的漏极和栅极之间以适应常导通器件的负阈值。电流源504耦合至复制件晶体管508并且提供偏置电流。根据各个实施例，复制件晶体管508的源极节点S耦合至与被驱动的切换晶体管(图3和图4中的晶体管202)的源极相同的节点，或者耦合至具有与切换晶体管的源极相同或相似电压的节点。
在一个实施例中，复制件晶体管508具有与驱动切换晶体管类似的结构。例如，如果切换晶体管为GaN HEMT，则复制件晶体管508也为GaN HEMT。在一些实施例中，复制件晶体管的几何形状还可以与切换晶体管的几何形状相匹配。例如，切换晶体管可以使用n个单位器件来构建，而复制件晶体管可以使用一个或两个单位器件来实施。在这种实施例中，电流源504的电流仅需要处于切换晶体管的电流的1/n的等级，以使得V(t)跟踪切换晶体管的阈值。在一些实施例中，复制件晶体管508的单位器件可以与切换晶体管一起协同定位以增强匹配性能。通过协同定位复制件晶体管508和主切换晶体管，可以将切换晶体管的温度变化应用于复制件晶体管508。
应该理解，图5的电路仅是可用于产生切换晶体管的阈值电压的近似值的电路的许多实例中的一种。在可选实施例中，在共同未决申请(代理案号INF 2014 P 50933 US)的序列号_______中描述的电路和系统可用于产生阈值电压的近似值。
图6示出了驱动切换晶体管的示例性方法600的流程图。例如，可以结合本文公开的各个所示实例来使用本方法。在一个实施例中，在步骤602中，浮置电源的共模控制端被基于切换晶体管的阈值的电压偏置。在步骤604中，通过利用浮置电源的第一电压驱动切换晶体管的控制端来导通切换晶体管，并且在步骤606中，通过利用浮置电源的第二电压驱动切换晶体管的控制端来关断切换晶体管。
根据一个实施例，一种用于驱动切换晶体管的控制端的电路包括驱动器，驱动器包括被配置为耦合至切换晶体管的控制端的输出端、被配置为耦合至浮置电源的第一端的第一电源端、被配置为耦合至浮置电源的第二端的第二电源端以及被配置为接收切换信号的切换输入端。该电路还包括偏置电路，其具有被配置为耦合至浮置电源的共模控制端的输出端，其中偏置电压被配置为提供依赖于时间的电压。在一些实施例中，该电路还包括浮置电源。
在一个实施例中，浮置电源包括：第一线圈；第一二极管，耦合在浮置电源的第一端和第一线圈之间；第二线圈，在共模控制端处耦合至第一线圈并耦合至浮置电源的第二端；以及第二二极管，耦合在第二线圈和浮置电源的第二端之间。第二线圈磁性地耦合至第一线圈。
在一个实施例中，切换晶体管包括常导通晶体管，其可以是电路的一部分。常导通晶体管可使用GaN HEMT器件来实施，并且常导通晶体管的控制端可以是GaN HEMT的栅极。在一些实施例中，依赖于时间的电压是基于切换晶体管的阈值的电压。该电压可以基于切换晶体管的阈值，并且可以是基本等于切换晶体管的阈值的电压。在一个实施例中，偏置电路具有切换晶体管的复制件。
在一个实施例中，驱动器被配置为通过将第一电源端的电压耦合至晶体管的控制端来导通切换晶体管，以及通过将第二电源端的电压耦合至切换晶体管的控制端来关断切换晶体管。
根据又一实施例，一种控制切换晶体管的方法包括：通过利用浮置电源的第一电压驱动切换晶体管的控制端来导通切换晶体管；通过利用浮置电源的第二电压驱动切换晶体管的控制端来关断切换晶体管；以及利用基于切换晶体管的阈值的电压来偏置浮置电源的共模控制端，其中基于切换晶体管的阈值的电压基本等于切换晶体管的阈值。偏置浮置电源的共模控制端可包括：提供切换晶体管的复制件的阈值电压。
在一个实施例中，根据切换信号来执行导通和关断的步骤。切换晶体管可以包括常导通晶体管，并且切换晶体管包括GaN HEMT器件，使得切换晶体管的控制端是GaN HEMT的栅极。
根据又一实施例，一种切换电路包括：浮置电源，具有正端、负端和共模端。切换电路还包括驱动电路，其具有耦合至电源的正端的第一电源端、耦合至电源的负端的第二电源端以及耦合至切换晶体管的控制端的输出端。切换电路还包括共模偏置电路，具有耦合至浮置电源的共模端的输出端，使得共模偏置电路被配置为在共模偏置电路的输出端处提供基于切换晶体管的阈值的电压。在一些实施例中，切换电路包括切换晶体管。
在一个实施例中，切换晶体管包括常导通晶体管，并且常导通晶体管包括GaNHEMT器件，使得切换晶体管的控制端包括GaN HEMT的栅极。共模偏置电路可包括电压缓冲放大器，其具有耦合至浮置电源的共模端的输出端。
切换电路可包括耦合在切换晶体管的负载路径端和电压缓冲放大器的输出端之间的电容器，并且还可以包括耦合至电压缓冲放大器的输入端的复制件晶体管。在一些实施例中，浮置电源包括变压器，并且浮置电源的共模端包括变压器的中心抽头端。
一些实施例的优势包括：由于较低的电源被用于向切换驱动器提供电源而实现能量节省。又一优势包括：跟踪阈值随时间变化的能力以及向切换晶体管提供对称驱动电压的能力。
实施例的其他优势包括：不仅相对于晶体管阈值而且还考虑其他方面(诸如晶体管操作模式(切换/二极管)、负载电流变化或切换速度)改变栅极驱动电平的能力。
虽然参照所示实施例描述了本发明，但说明不是用于限制的目的。本领域技术人员在阅读说明书的基础上可以明白所示实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例。

Claims (23)

1.一种用于驱动切换晶体管的控制端的电路，所述电路包括：
驱动器，包括被配置为耦合至所述切换晶体管的控制端的输出端、被配置为耦合至浮置电源的第一端的第一电源端、被配置为耦合至所述浮置电源的第二端的第二电源端以及被配置为接收切换信号的切换输入端；以及
偏置电路，具有被配置为耦合至所述浮置电源的共模控制端的输出端，其中所述偏置电路被配置为提供依赖于时间的电压。
2.根据权利要求1所述的电路，还包括所述浮置电源。
3.根据权利要求2所述的电路，其中所述浮置电源包括：
第一线圈；
第一二极管，耦合在所述浮置电源的第一端和所述第一线圈之间；
第二线圈，在所述共模控制端处耦合至所述第一线圈并耦合至所述浮置电源的第二端；以及
第二二极管，耦合在所述第二线圈和所述浮置电源的第二端之间，其中所述第二线圈磁性地耦合至所述第一线圈。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述切换晶体管包括常导通晶体管。
5.根据权利要求4所述的电路，还包括所述常导通晶体管。
6.根据权利要求5所述的电路，其中所述常导通晶体管包括GaN HEMT器件，并且所述常导通晶体管的控制端包括所述GaN HEMT的栅极。
7.根据权利要求6所述的电路，其中所述依赖于时间的电压包括基于所述切换晶体管的阈值的电压。
8.根据权利要求7所述的电路，其中基于所述切换晶体管的阈值的电压包括等于所述切换晶体管的阈值的电压。
9.根据权利要求8所述的电路，其中所述偏置电路包括所述切换晶体管的复制件。
10.根据权利要求1所述的电路，其中所述驱动器被配置为：
通过将所述第一电源端的电压耦合至所述晶体管的控制端来导通所述切换晶体管；以及
通过将所述第二电源端的电压耦合至所述切换晶体管的控制端来关断所述切换晶体管。
11.一种控制切换晶体管的方法，所述方法包括：
通过利用浮置电源的第一电压驱动所述切换晶体管的控制端来导通所述切换晶体管；
通过利用所述浮置电源的第二电压驱动所述切换晶体管的控制端来关断所述切换晶体管；以及
利用基于所述切换晶体管的阈值的电压来偏置所述浮置电源的共模控制端。
12.根据权利要求11所述的方法，其中基于所述切换晶体管的阈值的电压等于所述切换晶体管的阈值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中偏置所述浮置电源的所述共模控制端包括：提供所述切换晶体管的复制件的阈值电压。
14.根据权利要求11所述的方法，其中根据切换信号来执行导通和关断的步骤。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述切换晶体管包括常导通晶体管。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述切换晶体管包括GaN HEMT器件，并且所述切换晶体管的控制端包括所述GaN HEMT的栅极。
17.一种切换电路，包括：
浮置电源，包括正极端、负极端和共模端；
驱动器电路，包括耦合至所述电源的正极端的第一电源端、耦合至所述电源的负极端的第二电源端以及耦合至切换晶体管的控制端的输出端；以及
共模偏置电路，具有耦合至所述浮置电源的所述共模端的输出端，其中所述共模偏置电路被配置为在所述共模偏置电路的输出端处提供基于所述切换晶体管的阈值的电压。
18.根据权利要求17所述的切换电路，还包括所述切换晶体管。
19.根据权利要求18所述的切换电路，其中：
所述切换晶体管包括常导通晶体管；以及
所述常导通晶体管包括GaN HEMT器件，并且所述切换晶体管的控制端包括所述GaNHEMT的栅极。
20.根据权利要求17所述的切换电路，其中所述共模偏置电路包括电压缓冲放大器，所述电压缓冲放大器具有耦合至所述浮置电源的共模端的输出端。
21.根据权利要求20所述的切换电路，还包括耦合在所述切换晶体管的负载路径端和所述电压缓冲放大器的输出端之间的电容器。
22.根据权利要求21所述的切换电路，还包括耦合至所述电压缓冲放大器的输入端的复制件晶体管。
23.根据权利要求17所述的切换电路，其中所述浮置电源包括变压器，并且所述浮置电源的所述共模端包括所述变压器的中心抽头端。
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