CN109560690B - 基于iii/v族半导体的电路及运行该电路的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于III/V族半导体的电路及运行该电路的方法。提供了设置有III/V族半导体区域的电子电路以及运行这种电路的方法。具体地，本申请涉及基于氮化镓(GaN)半导体的电子电路。必须以确保在广泛的GaN参数变化范围内的适当工作的方式来控制GaN部件。存在包括耦合到第二区域的第一区域的电路，第一区域基于III/V族半导体；其中，第一区域包括第一部件和第二部件。第二部件代表第一部件的电特性。第二区域包含适于感测第二部件的电气参量的传感器以及耦合到传感器的输入发生器。输入发生器适于基于电气参量向第一区域提供至少一个输入。

Description

基于III/V族半导体的电路及运行该电路的方法
技术领域
本公开涉及设置有III/V族半导体区域的电子电路以及运行这种电路的方法。具体地，本申请涉及基于氮化镓半导体的电子电路。
背景
基于诸如氮化镓(GaN)二极管和GaN N沟道晶体管的III/V族半导体的半导体部件具有许多有益的性质。例如，与硅基对应物相比，GaN晶体管具有相对低的导通电阻并且可以达到更高的开关速度。正因如此，GaN部件非常适合开关变换器和高压电源电路的设计。
然而，GaN部件的特性(诸如，二极管的正向电压或晶体管的阈值电压)可能在一定的温度范围和工艺上显著地变化。例如，从不同半导体晶圆或从不同管芯获得的各个部件的特性可能显著不同。在由同一晶圆产生的两个管芯之间，GaN部件(也称作GaN器件)的特性可以变化约30％。这使精确的GaN电压参考的实现变得非常复杂。
因此，必须以确保在广泛的GaN参数变化范围内的适当工作的方式来控制GaN部件。实际上，这意味着：为了确保在晶体管的饱和区中工作，GaN晶体管的栅极电压被过度激励(通常是在6V的区域中)。采用高栅极电压驱动GaN晶体管可以导致GaN晶体管严重退化和过应力。这也降低了工作效率并阻碍了器件的线性模式工作。
概述
本公开的目的是解决上述限制中的一项或更多项。根据本公开的第一方面，提供了一种电路，该电路包括：耦合到第二区域的第一区域，第一区域基于III/V族半导体；其中，第一区域包括第一部件和第二部件，第二部件表示所述第一部件的电特性；并且其中，第二区域包括适于感测第二部件的电气参量(electrical quantity)的传感器；以及耦合到传感器的输入发生器，输入发生器适于向第一区域提供至少一个输入，其中，该至少一个输入基于电气参量。
可选地，第二区域可以是基于硅的。
可选地，第二部件可以是与第一部件类型相同的部件。例如，部件的类型可以是二极管、电阻器或晶体管类。例如，如果第一部件是二极管，则第二部件也可以是二极管。
可选地，第二部件可以是尺寸比第一部件小的部件。例如，第一部件可以是功率晶体管，而第二部件可以是信号晶体管，诸如，制造功率晶体管的晶体管。
可选地，输入发生器包括电压源和信号发生器中的至少一项。
可选地，其中，第一部件包括二极管，并且其中，该至少一个输入包括电压输入。
可选地，第一部件包括电源开关，并且电路包括并联耦合到电源开关的晶体管和用于驱动晶体管的驱动器，其中，该至少一个输入包括用于控制驱动器的控制信号。
可选地，电气参量包括电压和电阻中的至少一项。
可选地，电路由来自半导体晶圆的至少一个管芯制成，并且第一和第二部件由相同的管芯制成。
可选地，传感器包括耦合到模数转换器的电流源。
可选地，III/V族半导体包括氮化镓。
可选地，其中，第一区域包括多个第一部件和多个第二部件。
根据本公开的第二方面，提供了一种运行电路的方法，该电路包括具有第一部件的III/V族半导体区域，该方法包括：提供表示第一部件的电特性的第二部件；感测第二部件的电气参量；基于电气参量生成至少一个输入；以及向III/V族半导体区域提供至少一个输入。
可选地，生成输入包括生成电压和控制信号中的至少一项。
可选地，该方法包括：感测在第二部件两端的第一电压，并且基于第一电压产生第一部件的第二电压。例如，第一电压可以是在参考二极管两端的电压降，或者是参考晶体管的漏极-源极电压。
可选地，第一部件包括电源开关，并且该方法包括：提供并联耦合到电源开关的晶体管；基于电气参量，估计电源开关的电阻；以及当识别出电阻高于阈值时，开启晶体管。
附图说明
在下面以示例方式并参考附图来更详细地描述本公开，在附图中：
图1是用于运行包括III/V族半导体区域的电路的方法的流程图；
图2是用于实现根据图1的方法的系统的示意图；
图3是设置有GaN参考部件的GaN电源电路的图示；
图4是根据图3的经修改的电路；
图5是设置有过流保护的GaN电源电路的图示；
图6是设置有采样和保持结构的GaN电源电路的图示。
描述
图1示出了用于运行包括III/V族半导体区域的电路的方法的流程图。III/V族半导体区域包括第一部件，诸如GaN部件。
在步骤110，提供基于III/V族半导体的第二部件，也称作参考部件。第二部件代表第一部件的电特性。例如，如果第一部件是GaN二极管，则第二部件可以是用作参考的另一个GaN二极管。第一和第二GaN二极管都可以从相同的半导体管芯中被选出，并被认为结构相同。
在步骤120，感测第二部件的电气参量。例如，电气参量可以是第二部件两端的电压或电阻。在步骤130，基于电气参量产生至少一个输入。例如，可以产生输入电压和诸如逻辑信号的控制信号。在步骤140，将该至少一个输入提供给III/V族半导体区域。
图2示出了提供用于实现图1的方法的电路200。电路200包括被称作第一区域和第二区域的两个区域。第一区域基于GaN半导体，并且包括多个(N个)GaN电子部件210i、...、210n(也被称作功能器件)。第一区域还包括多个(N个)GaN参考部件240i(也被称为参考结构)。
每个参考部件240i代表对应电子部件210i的电特性。例如，参考部件可以是代表位于第一GaN区域的另一晶体管的电特性的晶体管。每个GaN参考部件240i模仿对应的GaN电子部件210i的特性。例如，如果已经使用相同的工艺制造GaN参考部件240i和电子部件210i，则GaN电子部件的工作特性(诸如，电流-电压特性)将与GaN参考部件的工作特性基本上相同。
第二区域基于硅半导体。第二区域包括：设置有耦合到参考部件的一个或更多个传感器的感测单元252；以及耦合到感测单元252的控制器220。控制器220可以经由用于调节将要由第一区域接收的输入信号的调节器254耦合到感测单元252。调节器254可以根据用途而以不同的方式来实现。控制器也可以是控制器220的一部分。控制器220、传感器252和调节器254可以是互补金属氧化半导体(CMOS)集成电路的一部分。
电子部件210i直接(未示出)地或经由可变驱动器230i(例如，可变电压或电流)耦合到控制器220。每个GaN参考部件240i耦合到感测单元252。每个GaN参考部件240i还可以耦合到可变驱动器260i(例如，可变的电压或电流)。
在运行中，感测单元252感测参考部件240i的电气参量(诸如，电流、电压或电阻值)。感测单元252直接(未示出)地或经由调节器254将该值提供给控制器220。控制器220可以用于基于由感测单元252测定的值来控制用于控制GaN电子部件的输入。例如，控制器可以用于控制由驱动电压230i提供的电压值。可选地，控制器220可以生成将要由GaN区域使用的输入信号。当使用调节器254时，调节器254基于测定的电气参量产生反馈信号。
通过感测参考部件的电气参量，有可能监测GaN参考部件240i的运行特性。因此，可以推导出GaN电子部件210i的运行特性。因此，控制器220可以运行电子部件210i更接近其运行特性曲线。这减少了能量损失，并提高了电路的效率。
另外，感测单元252和/或调节器254可以接收一个或更多个额外的输入，并且至少部分地基于这一个或更多个额外的输入来产生反馈信号。例如，调节器254可以接收来自温度传感器的温度值，并且产生温度经调节的反馈信号。以这种方式，控制器220可能能够在一定温度范围内以其运行特性或接近其运行特性地来控制GaN电子器件。
图3示出了图2的电路的示例性实施方式。在这个示例中，电路是电源电路300，其可以是开关变换器(例如，降压变换器)的一部分。被称为GaN区域的第一区域包括半桥(高边驱动器320)和参考部件330(例如，二极管参考D2)。半桥是由通过开关节点耦合到低边GaN电源开关310的高边GaN电源开关305形成。高边开关305具有用于接收输入电压V输入的漏极、耦合到LX节点的源极和耦合到节点P的栅极。在具体示例中，输入电压V输入可以是高电压，例如V输入可以处于接地电压以上的400V的区域。
GaN区域还包括一个低边驱动器365。被称为硅区域的第二区域包括传感器340、控制信号发生器350和可变电压源360。传感器340耦合到电压源360。根据用途，传感器340还可以耦合到控制信号发生器350。可变电压源360和控制信号发生器可以组合在单个控制器中。传感器340包括电流发生器342，其用于产生耦合到模数转换器ADC 344的电流I1。参考二极管D2 330具有耦合到电流发生器的第一端子和耦合到接地的第二端子。
高边驱动器320包括推挽级，其由经由推挽节点P耦合到第二晶体管324的第一晶体管322形成。推挽级耦合到第三晶体管326。第一晶体管322具有经由二极管D1 323耦合到可变电压源360的漏极端子；耦合到节点P的源极端子以及耦合到第三晶体管326的漏极端子的栅极端子。第二晶体管324具有耦合到节点P的漏极端子、耦合到开关节点LX的源极端子和耦合到控制信号发生器350的栅极端子。第三晶体管326具有经由电阻器R1 328耦合到二极管323的漏极端子、耦合到LX节点的源极以及耦合到控制信号发生器350的栅极。自举电容器329具有耦合到二极管D1323的第一端子和耦合到节点LX的第二端子。
在运行中，控制器350向晶体管S3 326和S4 324提供控制信号(诸如，逻辑信号)，因此控制高边电源开关SP1 305的栅极电压。为了激活高边电源开关SP1 305，需要准确的栅极电压。通常，SP1需要6V的栅极电压以导通。高边和低边驱动器用于同时切换SP1和SP2，以便当SP1导通时，SP2关断。通过这种方式，SP1和SP2永远不会同时导通，同时导通会造成短路。
自举电容器C1 329用于为高边驱动器320供电。为了在C1两端获得期望的电压，必须能够控制在驱动器320的不同元件两端的电压变化。在这种情况下，由于例如温度变化，二极管D1 323两端的电压可能显著变化。所提出的解决方案是：通过测量选定为与D1基本上相同的参考二极管D2330两端的电压，估计在二极管D1 323两端的电压变化。例如，二极管D1和D2可以由相同的管芯制造。该电压测量是由CMOS集成电路上的传感器340执行的。在图3的示例中，参考二极管D2 330直接连接到接地，并与GaN芯片的其余部分单片地集成。因此，D2两端的电压可以随时独立测量。
假设二极管D2 330两端的电压变化以与二极管D1 323两端的电压变化相同的方式变化，有可能向二极管D1 323提供适当的电压，以便获得在自举电容器C1 329两端的期望的电压。ADC 344可以用于测量在参考二极管D2 330两端的电压。可变电压源360适于基于测定的参考二极管两端的电压来改变电压V电源。例如，被称为V偏移的测量电压可以被添加到由电压源360提供的电压V1，使得V电源＝V1+V偏移。根据用途，可以通过测量电压的任何因数来调节电压V电源。例如，V电源可以等于V1+N*(V偏移)，其中N是整数。
当低边电源开关310接通(闭合)并且高边电源开关305关断(断开)时，电容器C1329充电。当低边电源开关310关断时，由C1 329供电的高边驱动器320传送精确的栅极电压以将高边电源开关305接通。
晶体管S1 322和S4 324形成高边电源开关305的推挽级。例如，假设高边电源开关305需要6V的栅极电压，则可以将V1设定为6V。传感器340可以测量D2 330两端1.5V的电压V偏移。该电压对应于D1 323上的电压降。假设晶体管S1 322的电压阈值也是1.5V，则可以调节电压源360，以提供电压V电源＝V1+2*(V偏移)＝9V。因此，当开关S3关断(断开)时，开关S1导通(闭合)，并且节点P处的电压是6V(由S1的栅极电压(7.5V)减去S1的阈值电压(1.5V))。电压源360因此可以用于补偿D1的电压降和晶体管S1的电压阈值。在电容器C1 329中存储的电荷限制用于切换高边电源开关305的可用的栅极电压。
图4示出了对图3的电路的修改。在这种情况下，电路400具有经由低边电源开关310耦合到GaN芯片的接地的参考二极管D2 430。由于这个原因，当低边电源开关310接通时，测量在参考二极管D2 430两端的正向电压。可选地，还可以测量开关节点LX处的电压。如果开关节点LX未达到0V，则ADC测量等于V(D2)+V(LX)的电压。这个电压可以用来调节由电源提供的电压并补偿电压降。
图5示出了设置有电流保护电路的图2的电路的另一个实施方式。在这个示例中，考虑了晶体管电阻接通(RDS，接通或R接通)值变化的问题。如果高边电源开关的R接通变化太大，那么不可能知道高边电源开关什么时候需要关断，例如，当流过电源开关的电流太高时。为了解决这个问题，将GaN参考晶体管(GaN T-Ref)用作高边电源开关的R接通变化的指示器。
图5的电路500分享了许多与图3的电路300中所示的部件类似的部件。相同的附图标记已用来表示相应的部件，并且为了简洁起见，不再重复其描述。
半桥是由经由开关节点LX耦合到低边GaN电源开关510的高边GaN电源开关505形成。在GaN区域中提供GaN参考晶体管(GaN T-ref 535)，并且在硅基区域中提供耦合到电压源562的传感器570。传感器570包括电流发生器572，其用于产生耦合到模数转换器ADC 574的电流I2。参考晶体管535具有耦合到电流发生器572的漏极端子、耦合到接地的源极端子以及耦合到电压源562的栅极端子。GaN T-ref 535可以是较小形式的高边电源开关505。电路包括并联耦合到高边电源开关505、并由其自身的栅极驱动器580控制的额外的晶体管SP12 515。传感器570耦合到控制信号发生器590，以用于产生导向栅极驱动器580、以及晶体管S3 326和S4324的控制信号。
在运行中，通过测量在GaN T-ref两端的电压，可以在CMOS集成芯片上测量GaN参考晶体管535的R接通。ADC 574用于测量参考晶体管535的漏极-源极电压。这个测量结果被用来估计高边电源开关505的R接通。如果高边电源开关505的R接通太高(例如，高于阈值)，则晶体管SP12 515(也被称为附加晶体管)可以开启，以便降低输出电阻。例如，如果高边电源开关505的R接通是2欧姆，并且附加晶体管515的R接通是2欧姆，那么输出电阻将是1欧姆。可以并联添加多个附加晶体管，以便调节输出电阻。
图6示出了图2的电路的又一个实施方式，设置有采样和保持结构。电路600包括被称为GaN区域的第一区域和被称为硅或CMOS区域的第二区域。GaN区域包括经由开关节点LX耦合到低边GaN电源开关610的高边GaN电源开关605。高边电源开关605具有耦合到栅极驱动器615的栅极。开关节点LX耦合到由第一电容器C1 620形成的采样和保持电路(也被称为采样和保持电容器)，采样和保持电路耦合到第一晶体管S1 622。采样和保持电路经由第一二极管D2 623耦合到第一可变电压源630。电容器C1具有经由节点C耦合到S1的第一端子。可选地，比较器621可以耦合到节点C，以用于执行特定的控制功能。开关节点LX还耦合到第二电容器C2 624(也被称为启动电容器)。电容器C2 624经由第二二极管D1 625耦合到第二电压源632。
第一晶体管S1 622具有经由节点Q耦合到第二晶体管S3 626的栅极。第二晶体管S3 626具有耦合到控制信号发生器650的栅极、耦合到节点Q的漏极以及耦合到开关节点LX的源极。电阻R1 627具有耦合到第二二极管D1 625的第一端子以及经由第二电阻R2 628耦合到开关节点的第二端子。电阻R2 628是可选的。当使用电阻R2时，R1和R2形成一个分压器。例如，R2可能具有比R1大大约10倍或以上的电阻值。
GaN区域设置有参考二极管D3 662，并且可选地设置有参考晶体管664。CMOS域具有用于测量在参考二极管662两端的电压的第一传感器640和用于测量在参考晶体管664两端的电压的第二传感器642。第一传感器640和第二传感器642可以像图5的传感器340和570那样实现。根据用途，控制信号发生器650可以耦合到传感器640和642。
在运行中，参考二极管D3 662允许准确地确定随着工艺和温度的变化，GaN二极管623和625的电压降。通过可变电压源630和632分别提供参考电压V参考和启动电压V启动，可以补偿任意这种变化。
第一晶体管S1 622用于控制在采样和保持电容器C1 620两端的电压。当晶体管S1导通(闭合)时，电容器C1充电。如果由电压源630提供的V参考小于电压源632提供的电压V启动减去S1 622的电压阈值Vth(S1)，则C1充电至V参考。然而，如果V参考大于V启动-Vth(S1)，则C1充电到等于V启动-Vth(S1)的电压。当晶体管S1关断时，电容器C1与电压源630隔离并保持电压。
可以由控制在节点Q处的电压的第二晶体管S3 626来控制晶体管S1的运行。当晶体管S3被关断(断开)时，节点Q处的电压达到VGSth，以使S1 622闭合。当晶体管S3导通(闭合)时，节点Q处的电压下降到VGSth以下，并且晶体管S1被关断。
本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的情况下，所公开的配置的变化是可能的。因此，仅通过示例的方式而不是为了限制的目的做出具体实施例的以上描述。技术人员将清楚，在没有显著改变的情况下，可以对所描述的操作进行微小的修改。

Claims (14)

1.一种电路，包括耦合到第二芯片的第一芯片，所述第一芯片基于III/V族半导体，并且所述第二芯片基于硅；
其中，所述第一芯片包括第一部件和第二部件，所述第二部件表示所述第一部件的电特性；
其中，所述第一部件包括具有第一电压降的第一二极管，并且其中，所述第二部件包括具有第二电压降的第二二极管，
其中，所述第一电压降和所述第二电压降基本上是相同的，所述第一芯片还包括电源开关驱动器，所述电源开关驱动器包括所述第一二极管和自举电容器；并且
其中，所述第二芯片包括：
耦合到所述第一二极管的第一输入发生器；
耦合到所述第二二极管的第二输入发生器；
适于感测在所述第二二极管两端的电压的传感器；以及
耦合到所述传感器和所述第一输入发生器的调节器，所述调节器适于接收所述第二二极管两端的电压，并且基于接收到的电压，调节由所述第一输入发生器提供给所述第一二极管的电压输入；其中所述电压输入被调节以补偿所述第一二极管两端的电压降；
其中，所述第一二极管具有连接到所述第一输入发生器的阳极端子和连接到所述自举电容器的阴极端子。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第二部件是与所述第一部件类型相同的部件。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述第二部件是尺寸比所述第一部件小的部件。
4.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一输入发生器包括电压源和信号发生器中的至少一项。
5.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一芯片还包括电源开关、并联耦合到所述电源开关的晶体管、参考晶体管和用于驱动所述晶体管的驱动器。
6.根据权利要求5所述的电路，其中，所述第二芯片包括适于感测所述参考晶体管的电压的传感器。
7.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电路由来自半导体晶圆的至少一个管芯制成，并且其中所述第一部件和所述第二部件由相同的管芯制成。
8.根据权利要求1所述的电路，其中，所述传感器包括耦合到模数转换器的电流源。
9.根据权利要求1所述的电路，其中，所述III/V族半导体包括氮化镓。
10.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一芯片包括多个第一部件和多个第二部件。
11.一种运行电路的方法，所述电路包括耦合到第二芯片的第一芯片，所述第一芯片基于III/V族半导体，并且所述第二芯片基于硅，所述方法包括以下步骤：
提供具有第一部件的所述第一芯片；
提供还具有第二部件的所述第一芯片，所述第二部件表示所述第一部件的电特性；
其中，所述第一部件包括具有第一电压降的第一二极管，并且其中，所述第二部件包括具有第二电压降的第二二极管，其中，所述第一电压降和所述第二电压降基本上是相同的；
提供还具有电源开关驱动器的所述第一芯片，所述电源开关驱动器包括所述第一二极管和自举电容器；
提供所述第二芯片，所述第二芯片具有：耦合到所述第一二极管的第一输入发生器、耦合到所述第二二极管的第二输入发生器、适于感测所述第二二极管两端的电压的传感器、以及耦合到所述传感器和所述第一输入发生器的调节器；
感测所述第二二极管两端的电压；
基于在所述第二二极管两端感测的电压，调节由所述第一输入发生器提供给所述第一二极管的电压输入；其中所述电压输入被调节以补偿所述第一二极管两端的电压降；
其中，所述第一二极管具有连接到所述第一输入发生器的阳极端子和连接到所述自举电容器的阴极端子。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：
产生电压和控制信号中的至少一项来提供所述电压输入。
13.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
基于感测到的所述第二二极管两端的电压，产生用于所述第一二极管的第二电压。
14.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
提供并联耦合到电源开关的晶体管；
提供参考晶体管；
使用所述参考晶体管估计所述电源开关的电阻；以及
当识别出所述电阻高于阈值时，开启所述晶体管。
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