CN109698689A - 积体电路 - Google Patents

积体电路 Download PDF

Info

Publication number
CN109698689A
CN109698689A CN201811236737.8A CN201811236737A CN109698689A CN 109698689 A CN109698689 A CN 109698689A CN 201811236737 A CN201811236737 A CN 201811236737A CN 109698689 A CN109698689 A CN 109698689A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hemt
voltage
grade
circuit
charge pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811236737.8A
Other languages
English (en)
Inventor
陈建宏
陈昆龙
刘赐斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Original Assignee
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd filed Critical Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Publication of CN109698689A publication Critical patent/CN109698689A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/687—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors
    • H03K17/6871—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices the devices being field-effect transistors the output circuit comprising more than one controlled field-effect transistor
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/0175—Coupling arrangements; Interface arrangements
    • H03K19/0185—Coupling arrangements; Interface arrangements using field effect transistors only
    • H03K19/018557—Coupling arrangements; Impedance matching circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/06—Modifications for ensuring a fully conducting state
    • H03K17/063—Modifications for ensuring a fully conducting state in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
    • H03K19/08—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices
    • H03K19/094—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors
    • H03K19/0944—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using semiconductor devices using field-effect transistors using MOSFET or insulated gate field-effect transistors, i.e. IGFET
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/0081—Power supply means, e.g. to the switch driver

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)
  • Logic Circuits (AREA)

Abstract

本发明的实施例提供用于一种积体电路。积体电路包含具有第一级和第二级的驱动电路。驱动电路配置成提供过驱动电压。积体电路还包含耦合在第一级与第二级之间的电荷泵电路。电荷泵电路配置成产生大于过驱动电压的动态电压。积体电路还包含耦合到电荷泵电路的自举电路，自举电路配置成进一步对驱动电路的过驱动电压进行动态升压。

Description

积体电路
技术领域
本公开的实施例中所描述的技术大体上涉及电子元件，且更具体地说，涉及高侧积体驱动电路。
背景技术
通过氮化镓(Gallium Nitride；GaN)高电子迁移率电晶体(High ElectronMobility Transistors；HEMT)来实施的高侧积体驱动电路允许各种电路的高功率吞吐量。HEMT具有包含离散功率电晶体的驱动操作的各种应用。
发明内容
本发明的实施例提供一种积体电路，包括：驱动电路，具有第一级以及第二级，所述驱动电路配置成提供过驱动电压；电荷泵电路，耦合在所述第一级与所述第二级之间，配置成产生大于所述过驱动电压的动态电压；以及自举电路，耦合到所述电荷泵电路，配置成增大所述驱动电路的所述过驱动电压。
附图说明
结合附图阅读以下具体实施方式会最好地理解本公开的各方面。应注意，根据业界中的标准惯例，各种特征未按比例绘制。实际上，为了论述清晰起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。
图1是根据本公开的各种实施例的第一示例性半导体元件的示意图。
图2是根据本公开的各种实施例的第二示例性半导体元件的示意图。
图3是根据本公开的各种实施例的第三示例性半导体元件的另一示意图。
图4是根据本公开的各种实施例的电荷泵电路的示意图。
图5是根据本公开的各种实施例的图4的电压倍增器的示意图。
图6是示出根据本公开的各种实施例的图4的环形振荡器的输出处的时钟发生器的示意电路图。
图7是示出根据本公开的各种实施例的图4的环形振荡器的示意电路图。
图8是根据本公开的各种实施例的第四示例性半导体元件的另一示意图。
图9是根据本公开的各种实施例的第五示例性半导体元件的另一示意图。
图10是根据本公开的各种实施例的第六示例性半导体元件的另一示意图。
图11是根据本公开的各种实施例的驱动功率电晶体的第一示例性方法的流程图。
附图标号说明
100、200、300、900、1000：半导体元件；
110：源极电压引脚；
120a、120b：高侧参考电压引脚；
130：输入电压引脚；
140：高电压电源引脚；
150、160：自举电路；
150a：自举电压引脚；
170：驱动电路；
170a～170d、310、510、520、530、540、550、610a～610c、620a～620c、640、750、870a～870c：级；
180、1080：电荷泵电路；
180a：电荷泵电压引脚；
190：自举电容器；
195：功率电晶体；
410：环形振荡器；
420：时钟发生器；
430：电压倍增器；
610：真模块；
620：互补模块；
710：前馈振荡模块；
720：反馈振荡模块；
730：启用模块；
810：自举反向缓冲电路
890：电容器；
1100：流程图；
1110、1120、1130、1140、1150：步骤；
C1～C5：电容器；
D：D-HEMT；
D1、D2：二极体；
D80：D-HEMT；
E1～E8、E81～E86：E-HEMT；
Vclock：时钟讯号；
Vclockbar：互补时钟讯号；
VDD：源极电压；
Vin：输入电压；
VSS：参考电压。
具体实施方式
以下公开提供用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件和布置的具体实例来简化本公开的实施例。当然，这些只是实例且并不意欲为限制性的。举例来说，在以下描述中，第一特征在第二特征上方或第二特征上的形成可包含第一特征与第二特征直接接触地形成的实施例，且还可包含可在第一特征与第二特征之间形成额外特征以使得第一特征与第二特征可以不直接接触的实施例。另外，本公开可在各种实例中重复附图标号和/或字母。此重复是出于简化和清楚的目的，且本身并不规定所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。
场效应电晶体(Field-effect transistors；FETs)是使用电场来操作电元件的电晶体。HEMT(例如GaN HEMT)是FET的一种类型。归因于高电流密度、高崩溃电压以及低操作电阻，HEMT适合在高功率应用中使用。HEMT元件包含通道层和主动层。在通道层中产生邻近于与主动层的界面的二维电子气(two-dimensional electron gas；2DEG)。2DEG在HEMT结构中用作电荷载子，这允许电流在元件内流动。设计HEMT结构中的一个考虑因素涉及崩溃电压的提高。HEMT结构的崩溃电压是漏极到栅极电流急剧增大下的漏极到栅极电压。高崩溃电压代表HEMT结构承受高漏极到栅极电压的能力而不会损坏和/或出现不规律电流行为。
HEMT(例如GaN HEMT)具有各种有用的应用。归因于GaN HEMT的包含高崩溃场、宽带隙(例如，在室温下GaN的带隙为3.36电子伏特)、高电流密度、大导带偏移以及高饱和电子漂移速度的材料特性的独特组合，GaN HEMT能够传递大量功率。具体来说，在一个实例中，GaN HEMT可用于功率转换和射频(radio frequency；RF)功率放大器(poweramplifier；PA)/开关应用，其中与硅系电晶体相比，GaN HEMT一般来说具有较小的形状因数。部分地归因于p型组件内的低空穴迁移率以及二维空穴气(two-dimension hole gas；2DHG)能带结构，对本文中所描述的实施例而言，p型HEMT比n型GaN HEMT更加不利于使用。因为这一点，有时将n型GaN HEMT而非p型HEMT集成在各种积体电路内。
增强型HEMT(Enhancement mode HEMT；E-HEMT)和耗尽型HEMT(depletion modeHEMT；D-HEMT)是n型HEMT的实例。E-HEMT要求正栅极电压来吸引电子朝向栅极或相邻势垒中的适当掺杂级别来吸引电子朝向栅极。被吸引朝向栅极的电子形成2DEG且允许电流在E-HEMT内流动。换句话说，通过将E-HEMT的栅极端子拉到高于阈值电压Vth的电平的电压电平来接通/激活E-HEMT。
相反，由于即使在没有正栅极源极电压的情况下2DEG的形成也会发生，所以D-HEMT在零栅极-源极电压下处于导通状态，换句话说，D-HEMT在零栅极-源极电压下处于导通状态且当施加负栅极电压时断开。因此，D-HEMT具有负阈值电压(例如，-1.0伏特)。
积体电路内的静态电流除增大总体功率消耗之外，还可导致积体电路的电组件损坏。为了使积体电路的静态电流最小化，可能需要对将D-HEMT作为上拉元件来使用进行限制且改为主要利用E-HEMT元件。这是因为D-HEMT在具有零栅极电压的静态条件中操作。具有多级E-HEMT元件可有助于使积体电路内的静态电流最小化。然而，E-HEMT元件的每一级可消耗至少一个阈值电压Vt(例如，当阈值电压Vt是约～1.5伏特且具有3-σ偏差约0.5伏特时，为约～2伏特)来接通，这最终减小初始输入电压电平，使得输出电压低于积体电路的其余部分的输入电压。为了向积体电路的其余部分提供足够的电压(例如过驱动电压)，将充分的栅极电压Vgs提供到多级E-HEMT元件的第一级。根据一些实施例，可使用内部自举电路和电荷泵电路的组合来提供过驱动电压。这一组合还可使多级驱动电路中的D-HEMT元件的数目最小化且减小驱动电路(或高侧驱动器)的静态电流。
图1是根据本公开的各种实施例的第一示例性半导体元件100的示意图。半导体元件100是具有用于驱动功率电晶体195和耦合到所述功率电晶体的任何其它电子组件的多个级的积体电路元件。自举电路150、自举电路160以及电荷泵电路180的使用允许过驱动电压穿过半导体元件100。过驱动电压驱动功率电晶体195和耦合到所述功率电晶体的任何额外组件。利用过驱动电压，功率电晶体195和任何额外组件可在额定电平下操作。本文所描述的各种实施例还可使静态电流或其它电流损耗最小化以允许更高效的功率传递。
根据一些实施例，半导体元件100(例如积体电路(integrated circuit；IC))包含源极电压引脚110、高侧参考电压引脚120a、高侧参考电压引脚120b、输入电压引脚130、高电压电源引脚140、自举电压引脚150a、自举电路150、自举电路160、驱动电路170、电荷泵电路180、电荷泵电压引脚180a、自举电容器190以及功率电晶体195。在这个实施例中，使用HEMT来实施半导体元件100，所述HEMT中的每一个包含第一和第二源极/漏极端子和栅极端子。在替代性实施例中，使用HEMT和金属氧化物半导体场效应电晶体(metal-oxide-semiconductor field-effect transistors；MOSFETs)的组合来实施半导体元件100。
在这个实施例中，半导体元件100进一步包含封装件，所述封装件将功率电晶体195、驱动电路170、自举电路150、自举电路160以及电荷泵电路180包封在其中，且电压引脚110、电压引脚120a、电压引脚120b、电压引脚130以及电压引脚140延伸到所述封装件中。
源极电压引脚110配置成连接至外部功率源，由此将源极电压VDD(例如6.0伏特)施加于所述源极电压引脚。将源极电压提供到自举电路150和电荷泵电路180。高侧参考电压引脚120a、高侧参考电压引脚120b配置成连接至半桥式(half-bridge)或全桥式(full-bridge)功率转换器的交换节点，由此将负载(例如，感应负载、电容负载，或其组合)连接到所述高侧参考电压引脚。输入引脚130配置成耦合到例如脉宽调制(pulse-widthmodulation；PWM)电路的外部讯号源，由此将在低电压电平(例如，参考电压VSS的电平约～0伏特)与高电压电平(例如6伏特～650伏特)之间跃迁的输入讯号施加于所述输入引脚。高电压电源引脚140配置成连接至高电压电源(例如650伏特)。耦合到输出引脚(或交换节点)120a/输出引脚120b的功率电晶体195为耦合到所述输出引脚的负载提供驱动电压。根据一些实施例的功率电晶体195要求用于操作的最小栅极电压(例如652伏特)。自举电压引脚150a和电荷泵电压引脚180a是提供额外电压以允许功率电晶体195的操作的电点。功率电晶体195的操作允许耦合到输出引脚120b的额外组件的操作。
将供电电压VDD提供到电荷泵电路180。电荷泵电路180耦合到自举电路160。电荷泵电路180提供使驱动电路170的电压进行升压的动态电荷泵电压，如在图2中更详细地描述。归因于如在图2中更详细地描述的与驱动电路170的电组件相关联的电压损耗，需要极大的动态电荷泵电压来提供第一电压级处的足够的过驱动电压，以便将足够的电压提供到积体电路的其余组件，特定来说提供到输出引脚120b。为了实现半导体元件100的几乎全轨(full-rail)上拉电压和快速爬升率(slew rate)，功率电晶体195可能需要较大过驱动电压(例如，Vgs-Vt>>0)。
图2是根据本公开的各种实施例的第二示例性半导体元件200的示意图。在这个实施例中，功率电晶体195是III-V化合物半导体系(例如GaN系)E-HEMT且取决于应用而具有例如高于100伏特或650伏特的高额定电压。在替代性实施例中，功率电晶体195是耗尽型HEMT。在一些实施例中，功率电晶体195可以是任何化合物半导体系(例如II-VI或IV-IV化合物半导体系)HEMT。如图2中所示出，功率电晶体195的第二源极/漏极端子耦合到输出引脚120a/输出引脚120b且第一源极/漏极端子耦合到高电压电源引脚140。
驱动电路170配置成提供足够的电压以驱动功率电晶体195。驱动电路170包含各自操作为反相器的多个级170a、级170b、级170c、级170d。根据一些实施例，级170b和级170d中的每一个包含一对E-HEMT E1、E-HEMT E2、E-HEMT E3、E-HEMT E4。级170c包含三个E-HEMT E5、E-HEMT E6、E-HEMT E7。归因于作为源极跟随器的E-HEMT E3、E-HEMT E6、E-HEMTE1的电配置，每一级170b、级170c、级170d可消耗每一电晶体两端的至少一个阈值电压Vt降(例如，对具有3-σ偏差约0.5伏特的约1.5伏特的阈值电压Vt来说，约2伏特)。
级170d的E-HEMT E1的第一源极/漏极端子耦合到E-HEMT E2的第二源极/漏极端子且耦合到功率电晶体195的栅极端子。级170d的E-HEMT E1的第二源极/漏极端子耦合到自举电压引脚150a。
级170c的E-HEMT E6的第一源极/漏极端子耦合到E-HEMT E7的第二源极/漏极端子且耦合到级170d的E-HEMT E1的栅极端子。E-HEMT E6的第二源极/漏极端子耦合到自举电容器190的第一端子。自举电容器190的第二端子耦合到功率电晶体195的栅极、级170d的E-HEMT E2的第一源极/漏极端子以及级170d的E-HEMT E1的第二源极/漏极端子。E-HEMTE5的栅极耦合到E-HEMT E5的第二源极/漏极端子、自举电压引脚150a以及级170d的E-HEMTE1的第二源极/漏极端子。
级170b的E-HEMT E3的第一源极/漏极端子和E-HEMT E4的第二源极/漏极端子彼此耦合且耦合到级170c的E-HEMT E6的栅极端子。E-HEMT E3的第二源极/漏极端子耦合到电荷泵引脚180a。
级170a包含D-HEMT D和E-HEMT E8。D-HEMT D的第一源极/漏极端子和栅极端子和级170a的E-HEMT E8的第一源极/漏极端子彼此耦合且耦合到级170b的E-HEMT E3的栅极端子。
级170a、级170b、级170c、级170d的E-HEMT E2、E-HEMT E4、E-HEMT E7、E-HEMT E8的第二源极/漏极端子彼此耦合且耦合到高侧参考电压引脚(或交换节点)120a、高侧参考电压引脚120b。级170a、级170b、级170c、级170d的E-HEMT E2、E-HEMT E4、E-HEMT E7、E-HEMT E8的栅极端子彼此耦合且耦合到输入引脚130。
自举电路160配置成通过电荷泵电压产生大于源极电压VDD的自举电压VBS，且包含二极体D1和电容器C1。在这个实施例中，二极体D1是两端子二极体，即，具有阳极端子和阴极端子。阳极端子耦合到电荷泵电路180且阴极端子(经由电荷泵电压引脚180a)耦合到级170a的D-HEMT D的第二源极/漏极端子、级170b的E-HEMT E3的第二源极/漏极端子以及电容器C1。换句话说，电容器C1耦合在电荷泵电压引脚180a与高侧参考电压引脚(或交换节点)120a、高侧参考电压引脚120b之间。应了解，在阅读本公开的实施例之后，只要实现本文所描述的预期目的，自举电路160和电荷泵电路180可具有任何适合的建构。根据一些实施例，图4中描述实例适合的电荷泵电路180。
自举电路150还配置成产生大于源极电压VDD的自举电压VBS，且包含二极体D2和电容器C2。在这个实施例中，二极体D2是两端子二极体，即，具有阳极端子和阴极端子。二极体D2的阳极端子耦合到源极电压VDD和电荷泵电路180。二极体D2的阴极端子(经由外部自举电压引脚150a)耦合到电容器C2的第一端子、级170c的E-HEMT E5的栅极端子和第二源极/漏极端子以及级170d的E-HEMT E1的第二源极/漏极端子。电容器C2的第二端子耦合到高侧参考电压引脚(或交换节点)120a、高侧参考电压引脚120b。
电荷泵电路180包含连接到源极电压引脚110的输入端子和输出端子。电荷泵电路180配置成在其输出端子处产生电荷泵电压VCP，所述电荷泵电压大于所述电荷泵电路的输入端子处的源极电压VDD。电荷泵电路180的输出端子耦合到内部自举电路160的二极体D1的阳极。
应理解，如图2中所示出，E-HEMT E1、E-HEMT E2、E-HEMT E3、E-HEMT E4、E-HEMTE5、E-HEMT E6、E-HEMT E7、E-HEMT E8以及D-HEMT D中的每一个除包含第一和第二源极/漏极端子以及栅极端子以外，进一步包含块体。在实施例中，E-HEMT E1、E-HEMT E2、E-HEMTE3、E-HEMT E4、E-HEMT E5、E-HEMT E6、E-HEMT E7、E-HEMT E8以及D-HEMT D的块体彼此耦合且耦合到高侧参考电压引脚120a、高侧参考电压引脚120b。在另一实施例中，E-HEMT E1、E-HEMT E2、E-HEMT E3、E-HEMT E4、E-HEMT E5、E-HEMT E6、E-HEMT E7、E-HEMT E8以及D-HEMT D的块体彼此耦合且耦合到源极电压引脚110。功率电晶体195还可包含耦合到高侧参考电压引脚120a、高侧参考电压引脚120b或耦合到源极电压引脚110的块体。
在操作中，当输入引脚130处的输入讯号相关于高侧参考节点(高侧参考节点120a/高侧参考节点120b)处的电压而自例如0伏特的低电压电平跃迁到例如6.0伏特的高电压电平时，级170a、级170b、级170c、级170d的E-HEMT E2、E-HEMT E4、E-HEMT E7、E-HEMTE8接通/激活。因此，在级170b、级170c、级170d的E-HEMT E1、E-HEMT E3、E-HEMT E6的栅极端子处出现对应于参考电压VSS的去激活电压。这使级170b、级170c、级170d的E-HEMT E1、E-HEMT E3、E-HEMT E6断开/去激活。这反过来为自举电容器190充电。此时，级170a的D-HEMTD激活且充当电阻器，电荷泵电路180在其输出端子处产生电荷泵电压VCP，且因此静态电流穿过二极体D流动到高侧参考节点120a。同时，对自举电容器C1进行充电。应注意借助于级170a与功率电晶体150之间的级170b、级170c、级170d，本公开的实施例的驱动电路170具有最小静态电流。
在随后的操作中，当输入引脚130处的输入讯号自高电压电平跃迁回到低电压电平时，级170a、级170b、级170c、级170d的E-HEMT E2、E-HEMT E4、E-HEMT E7、E-HEMT E8去激活。此时，级170a的D-HEMT D激活且充当电阻器，电荷泵电路180在其输出端子处产生例如16.0伏特的电荷泵电压VCP，且在二极体D1的阴极端子和级170b的E-HEMT E3的栅极端子处出现对应于电荷泵电压VCP的激活电压。借助于电荷泵电路180，在级170b的E-HEMT E3处的一个2伏特的阈值电压Vt降之后，在级170c的E-HEMT E6的栅极端子处出现例如14伏特的激活电压，所述激活电压的电平足够高以激活级170c的E-HEMT E6。借助于外部自举电路150，在级170d的E-HEMT E1的漏极处出现656伏特的供电电压。在级170c的E-HEMT E6处的又一个2伏特的阈值电压Vt降之后，在级170d的E-HEMT E1的栅极端子处出现例如12伏特+650伏特的足够高的电压。因此，在功率电晶体195的栅极端子处出现驱动电压Vdrive，所述驱动电压实质上等于源极电压VDD加上高供电电压(例如6伏特+650伏特＝656伏特)。
在替代性实施例中，半导体元件100无需功率电晶体195、高侧参考电压引脚120a、高侧参考电压引脚120b以及高电压电源引脚140。在这种替代性实施例，半导体元件100进一步包含延伸到封装件中且连接到级170d的E-HEMT E1、E-HEMT E2的第一源极/漏极端子的功率电晶体引脚(未绘示)。
图3是根据本公开的各种实施例的第三示例性半导体元件300的示意图。这一实施例与半导体元件200的不同之处在于，半导体元件300的驱动电路170进一步包含级170b与级170c之间的一个或多个级310。这样的建构进一步减少半导体元件300的驱动电路170的静态电流。
图4是根据本公开的各种实施例的电荷泵电路180的示意图。电荷泵电路180包含环形振荡器410、时钟发生器420以及电压倍增器430。环形振荡器410将输出电压提供到时钟发生器420。时钟发生器420将时钟电压(例如Vclock、Vclockbar)的互补对提供到电压倍增器430。图5是根据本公开的各种实施例的电压倍增器430的示意图。如图5中所示出，电压倍增器430在电荷泵电路180的输入端子与输出端子之间。根据一些实施例，电压倍增器430是迪克逊(Dickson)电压倍增器/电荷泵且包含级510、级520、级530、级540、级550，所述级中的每一个包含连接二极体的E-HEMT和电容器(电容器C1、电容器C2、电容器C3、电容器C4、电容器C5)。
图6是根据本公开的各种实施例的时钟发生器420的示意图。如图6中所示出，时钟发生器420包含真模块610和互补模块620。真模块610具有输入端子和输出端子、配置成在其输出端子处产生真时钟讯号Vclock，且包含位于其输入端子与输出端子之间的级610a、级610b、级610c。互补模块620具有输入端子和输出端子、配置成在其输出端子处产生互补时钟讯号Vclockbar(即真时钟讯号Vclock的互补)，且包含位于其输入端子与输出端子之间的级620a、级620b、级620c。真模块610的级610a、级610b、级610c以及互补模块620的级620a、级620b、级620c中的每一个包含一对HEMT，所述一对HEMT中的一个是D-HEMT且所述一对HEMT中的另一个是E-HEMT。真模块610的级610b包含一对E-HEMT。
应注意，由于真模块610和互补模块620具有相同数目的级，即在这个实施例中具有三个级，所以真时钟讯号Vclock/互补时钟讯号Vclockbar并不超前/滞后于互补时钟讯号Vclockbar/真时钟讯号Vclock。因此，真时钟讯号Vclock与互补时钟讯号Vclockbar实质上彼此异相180度。
尽管示例了时钟发生器420以使得其真模块610和互补模块620包含三个级，但应了解，真模块610和互补模块620可包含任何数目的级。
进一步参考图5，级510和级530的电容器C彼此连接且连接到真模块610的输出端子，而级520和级540的电容器C彼此连接且连接到互补模块620的输出端子。
图7是示出根据本公开的各种实施例的环形振荡器410的示意电路图。如图7中所示出，环形振荡器410包含前馈振荡模块710、反馈振荡模块720以及启用模块730。前馈振荡模块710具有输入端子和输出端子、被配置/操作来在其输出端子处产生振荡讯号(oscillation signal；OSC)，且包含位于其输入端子与输出端子之间的级(出于简化目的，仅将前馈振荡模块710的级中的一个标记为640)。反馈振荡模块720具有分别连接到前馈振荡模块710的输出端子和输入端子的输入端子和输出端子、配置成将前馈振荡模块710的输出端子处的振荡讯号(OSC)路由/馈送回到前馈振荡模块710的输入端子，且包含级(出于简化目的，仅将反馈振荡模块720的级中的一个标记为750)。模块710、模块720的级中的每一个包含一对HEMT，所述一对HEMT中的一个是D-HEMT且所述一对HEMT中的另一个是E-HEMT。
进一步参考图6，真模块610和互补模块620的输入端子彼此连接且连接到前馈振荡模块710的输出端子。
在操作中，当启用模块730的HEMT的栅极端子处的电压自低电压电平跃迁到高电压电平时，前馈振荡模块710在其输出端子处产生振荡讯号(OSC)。因此，真模块610和互补模块620分别在其输出端子处产生真时钟讯号Vclock和互补时钟讯号Vclockbar，由此电压倍增器430在电荷泵电路180的输出端子处产生电荷泵电压VCP。
应了解，在阅读本公开的实施例之后，只要实现本文所描述的预期目的，电荷泵电路180可具有任何适合的建构。
图8是根据本公开的各种实施例的第四示例性半导体组件800的示意图。第四示例性半导体组件800包括自举反向缓冲电路810。自举反向缓冲电路810包含各自操作为反相器的多个级870a、级870b、级870c。级870a包含两个E-HEMT E81与E82，一个D-HEMT D80。级870b包含两个E-HEMT E83与E84。级870c包含两个E-HEMT E85与E86。级870a、级870b、级870c中的每一个在跨越每个晶体管时可消耗至少一个阈值电压Vt(例如，当阈值电压Vt是约1.5伏特且具有3-σ偏差约0.5伏特时，为约2伏特)。
由E-HEMT E82、E-HEMT E84与E-HEMT E86其中之一的栅极端子提供输入电压至级870a。E-HEMT E82的第一源极/漏极端子耦合至D-HEMT D80的第二源极/漏极端子与E-HEMTE85的栅极端子。D-HEMT D80的栅极端子耦合至D-HEMT D80的第二源极/漏极端子与E-HEMTE82的第二源极/漏极端子。D-HEMT D80的第二源极/漏极端子耦合至E-HEMT E81的第一源极/漏极端子。E-HEMT E81的栅极端子耦合至E-HEMT E81的第二源极/漏极端子、级870b的E-HEMT E83的第二源极/漏极端子、级870c的E-HEMT E85的第二源极/漏极端子、及外部自举电压引脚150a。D-HEMT D80的第二源极/漏极端子与E-HEMT E81的第一源极/漏极端子耦合至电容器890的第一端子。电容器890的第二端子耦合至E-HEMT E83的第一源极/漏极端子与E-HEMT E84的第二源极/漏极端子。E-HEMT E85的第一源极/漏极端子耦合至E-HEMTE86的第二源极/漏极端子与E-HEMT E8的闸级端子。
外部自举电路150藉由E-HEMT E83的第一源极/漏极端子耦合至自举反向缓冲电路810。自举反向缓冲电路810被配置为减小级170a的E8的栅极端子的输入负载。E8的栅极端子由于E-HEMT E82、E-HEMT E84、E-HEMT E7与E-HEMT E2的操作而遭受大的负载值，因为这些E-HEMT需要相当大以在功率晶体管195的栅极端子处下拉。E-HEMT E82的栅极端子的输入负载会显著变小当其看到E-HEMT E82、E-HEMT E84与E-HEMT E86具有比较小的负载。
图9是根据本公开的各种实施例的第五示例性半导体组件900的示意图。第五示例性半导体组件900包括最小级升压驱动器(例如级170a与级170d)。在这个实施例中，半导体组件900可以提供约662V的栅极电压(相对于图2的多自举驱动器的最大电压654V)。对应于此实施例，电荷泵电路180可对二极管D1提供约14V的输出电压。
图10是根据本公开的各种实施例的第六示例性半导体组件1000的示意图。在此实施例中，电荷泵电路1080可对二极管D1提供约10V的输出电压。约为5V的过驱动电压(例如Vovd～Vgs–Vt)被提供至E-HEMT E1的栅极端子。这个过驱动电压可对功率晶体管195的栅极端子提供足够电压。
图11是根据本公开的各种实施例的驱动功率电晶体的第一示例性方法的流程图1100。方法适用于广泛多种基本结构。但为易于理解，参考图1至图4与图8至图11中所描绘的结构来描述图11的步骤。在步骤1110处，通过积体电路的电荷泵电路来接收输入电压。在步骤1120处，电荷泵电路产生配置成驱动积体电路的第一电压级和第二电压级的动态电荷泵电压。在步骤1130处，电荷泵电路将动态电荷泵电压提供到积体电路的自举电路。在步骤1140处，自举电路产生基于第一级的动态电荷泵电压的升压电压。在步骤1150处，第二级产生基于电压的过驱动电压以驱动积体电路的功率电晶体。
对如本文所描述的各种电路和配置的使用可允许产生高动态升压电压来驱动耦合到所述各种电路和配置的电子组件。利用如本文所描述的E-HEMT和D-HEMT元件的组合可使积体电路内的静态电流的电平最小化。积体电路内的静态电流越少，积体电路消耗的功率越小且电路可能经受的潜在损坏越小。如本文所描述的各种分级HEMT还可允许输入电压的对功率电晶体的更高效的功率传递，所述功率电晶体驱动一个或多个耦合到其的电组件。
在一个实施例中，积体电路包含驱动电路、电荷泵电路以及自举电路。驱动电路具有第一级和第二级且配置成提供过驱动电压。电荷泵电路耦合在第一级与第二级之间且配置成产生大于过驱动电压的动态电压。自举电路耦合到电荷泵电路且配置成增大驱动电路的过驱动电压。
根据一些实施例，所述的积体电路，进一步包括耦合到所述驱动电路的功率电晶体，其中所述过驱动电压驱动所述功率电晶体。
根据一些实施例，其中所述自举电路包括：自举二极体，具有耦合到所述第二级的阴极端子；以及自举电容器，耦合在所述阴极端子与所述驱动电路的输出引脚之间。
根据一些实施例，其中所述第一级包括第一增强型高电子迁移率电晶体(E-HEMT)以及耗尽型高电子迁移率电晶体(D-HEMT)，以及所述第二级包括第二增强型高电子迁移率电晶体以及第三增强型高电子迁移率电晶体(E-HEMT)。
根据一些实施例，其中所述第一增强型高电子迁移率电晶体以及所述第二增强型高电子迁移率电晶体在零栅极-源极电压下处于截止状态，以及其中所述耗尽型高电子迁移率电晶体在零栅极-源极电压下处于导通状态。
根据一些实施例，其中所述驱动电路进一步包括具有一对增强型高电子迁移率电晶体(E-HEMT)的第三级。
根据一些实施例，其中所述驱动电路进一步包括具有第一增强型高电子迁移率电晶体(E-HEMT)、第二增强型高电子迁移率电晶体以及第三增强型高电子迁移率电晶体的第四级，所述第一增强型高电子迁移率电晶体具有第一源极/漏极端子以及耦合到所述自举二极体的所述阴极端子的栅极端子。
根据一些实施例，所述的积体电路，进一步包括具有二极体以及电容器的内部自举电路，所述二极体耦合在所述电荷泵电路与所述第一级之间，所述电容器耦合在所述二极体与参考电压引脚之间。
根据一些实施例，所述的积体电路，进一步包括自举反向缓冲电路，配置成减小所述第一级的输入负载。
在另一实施例中，方法包含通过积体电路的电荷泵电路来接收输入电压。电荷泵电路产生动态电荷泵电压且配置成驱动积体电路的第一电压级和第二电压级。电荷泵电路将动态电荷泵电压提供到自举电路。自举电路产生基于第一级的动态电荷泵电压的升压电压。第二电压级产生基于升压电压的过驱动电压以驱动功率电晶体。
在另一实施例中，一种方法，包括：通过积体电路的电荷泵电路来接收输入电压；通过所述电荷泵电路来产生配置成驱动所述积体电路的第一电压级以及第二电压级的动态电荷泵电压；通过电荷泵电路来将所述动态电荷泵电压提供到自举电路；通过所述自举电路来产生基于所述动态电荷泵电压的升压电压到所述第一级；以及通过所述第二电压级来产生基于所述升压电压的过驱动电压以驱动功率电晶体。
根据一些实施例，其中所述过驱动电压超过所述功率电晶体的最小电压阈值。
根据一些实施例，所述的方法，进一步包括：使所述第一级以及所述第二级的静态电流最小化；以及通过所述自举电路来修改所述第一级的阻抗以使所述静态电流最小化。
在又一实施例中，系统包含高侧驱动器、电荷泵电路以及功率电晶体。高侧驱动器具有配置成提供过驱动电压的多个分级HEMT。电荷泵电路耦合在多个分级HEMT的第一部分与多个分级HEMT的第二部分之间。电荷泵电路配置成产生大于过驱动电压的动态电荷泵电压。功率电晶体耦合到对高侧驱动器和一个或多个电组件的输出且配置成将基于过驱动电压的电压提供到一个或多个电子组件。
在又一实施例中，一种系统，包括：高侧驱动器，具有多个分级高电子迁移率电晶体(HEMT)，配置成提供过驱动电压；电荷泵电路，耦合在所述多个分级高电子迁移率电晶体的第一部分与所述多个分级高电子迁移率电晶体的第二部分之间，配置成产生大于所述过驱动电压的动态电荷泵电压；以及功率电晶体，耦合在所述高侧驱动器与一个或多个电组件之间，其中所述功率电晶体配置成将基于所述过驱动电压的电压提供到所述一个或多个电子组件。
根据一些实施例，所述的系统，进一步包括耦合到所述电荷泵电路的自举电路，所述自举电路配置成增大所述高侧驱动器的所述过驱动电压。
根据一些实施例，其中所述自举电路包括：自举二极体，具有耦合到所述多个分级高电子迁移率电晶体中的一个的阴极端子；以及自举电容器，耦合在所述阴极端子与所述高侧驱动器的输出引脚之间。
根据一些实施例，其中所述多个分级高电子迁移率电晶体中的一个包括第一增强型高电子迁移率电晶体(E-HEMT)以及耗尽型高电子迁移率电晶体(D-HEMT)，以及所述多个分级高电子迁移率电晶体中的另一个包括第二增强型高电子迁移率电晶体以及第三增强型高电子迁移率电晶体(E-HEMT)。
根据一些实施例，其中所述第一增强型高电子迁移率电晶体以及所述第二增强型高电子迁移率电晶体在零栅极-源极电压下处于截止状态，以及其中所述耗尽型高电子迁移率电晶体在零栅极-源极电压下处于导通状态。
根据一些实施例，其中所述多个分级高电子迁移率电晶体包含一对增强型高电子迁移率电晶体(E-HEMT)。
根据一些实施例，其中所述多个分级高电子迁移率电晶体进一步包括具有第一增强型高电子迁移率电晶体(E-HEMT)、第二增强型高电子迁移率电晶体以及第三增强型高电子迁移率电晶体的第四级，所述第一增强型高电子迁移率电晶体具有第一源极/漏极端子以及耦合到所述自举二极体的所述阴极端子的栅极端子。
根据一些实施例，所述的系统，进一步包括具有二极体以及电容器的内部自举电路，所述二极体耦合在所述电荷泵电路与所述多个高电子迁移率电晶体中的一个之间，所述电容器耦合在所述二极体与参考电压引脚之间。
前文概述若干实施例的特征以使本领域的技术人员可更好地理解本公开的实施例的各方面。本领域的技术人员应理解，其可以易于使用本公开的实施例作为设计或修改用于实行本文中所介绍的实施例的相同目的和/或实现相同优势的其它工艺和结构的基础。本领域的技术人员还应认识到，这种等效构造并不脱离本公开的实施例的精神和范围，且本领域的技术人员可在不脱离本公开的实施例的精神和范围的情况下在本文中进行各种改变、替代以及更改。

Claims (1)

1.一种积体电路，其特征在于，包括：
驱动电路，具有第一级以及第二级，所述驱动电路配置成提供过驱动电压；
电荷泵电路，耦合在所述第一级与所述第二级之间，配置成产生大于所述过驱动电压的动态电压；以及
自举电路，耦合到所述电荷泵电路，配置成增大所述驱动电路的所述过驱动电压。
CN201811236737.8A 2017-10-23 2018-10-23 积体电路 Pending CN109698689A (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762575565P 2017-10-23 2017-10-23
US62/575,565 2017-10-23
US16/165,047 2018-10-19
US16/165,047 US10715137B2 (en) 2017-10-23 2018-10-19 Generating high dynamic voltage boost

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109698689A true CN109698689A (zh) 2019-04-30

Family

ID=66170733

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811236737.8A Pending CN109698689A (zh) 2017-10-23 2018-10-23 积体电路

Country Status (3)

Country Link
US (4) US10715137B2 (zh)
CN (1) CN109698689A (zh)
TW (1) TW201918001A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113346893A (zh) * 2020-12-24 2021-09-03 澜起电子科技(昆山)有限公司 驱动输出电路、芯片及驱动输出方法

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10715137B2 (en) * 2017-10-23 2020-07-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited Generating high dynamic voltage boost
JP7090473B2 (ja) * 2018-05-24 2022-06-24 ラピスセミコンダクタ株式会社 フラグ保持回路及びフラグ保持方法
TWI723470B (zh) * 2018-07-31 2021-04-01 台灣積體電路製造股份有限公司 驅動電路、積體電路、及操作驅動電路的方法
US10673426B2 (en) * 2018-08-08 2020-06-02 University Of Electronic Science And Technology Of China Switch bootstrap charging circuit suitable for gate drive circuit of GaN power device
WO2021019542A1 (en) * 2019-08-01 2021-02-04 Ariel Scientific Innovations Ltd. Power converter suitable for high frequencies
CN113765371A (zh) * 2021-10-08 2021-12-07 上海南芯半导体科技有限公司 一种支持超低压充电的电荷泵
WO2023107906A1 (en) * 2021-12-08 2023-06-15 Efficient Power Conversion Corporation Multi-voltage bootstrapping drivers
CN114552976B (zh) * 2022-03-02 2023-05-26 电子科技大学 一种具有高转换速率的全GaN栅驱动电路

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4680488A (en) * 1983-06-15 1987-07-14 Nec Corporation MOSFET-type driving circuit with capacitive bootstrapping for driving a large capacitive load at high speed
EP0887931A1 (en) * 1997-06-24 1998-12-30 STMicroelectronics S.r.l. Protection circuit for controlling the gate voltage of a high voltage LDMOS transistor
TWI465013B (zh) * 2012-03-15 2014-12-11 Univ Nat Chiao Tung 上橋驅動電路
US20150162832A1 (en) * 2013-12-09 2015-06-11 International Rectifier Corporation Group III-V Voltage Converter with Monolithically Integrated Level Shifter, High Side Driver, and High Side Power Switch
US9571038B1 (en) * 2015-08-31 2017-02-14 Nxp B.V. Driver circuit for a power stage of a class-D amplifier
US10050621B2 (en) * 2016-09-29 2018-08-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited Low static current semiconductor device
US10298112B2 (en) * 2017-09-29 2019-05-21 Dialog Semiconductor, Inc. Circuit for driving a power switch
US10715137B2 (en) * 2017-10-23 2020-07-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited Generating high dynamic voltage boost
TWI732280B (zh) * 2018-08-28 2021-07-01 美商高效電源轉換公司 串級自舉式GaN功率開關及驅動器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113346893A (zh) * 2020-12-24 2021-09-03 澜起电子科技(昆山)有限公司 驱动输出电路、芯片及驱动输出方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20200304119A1 (en) 2020-09-24
US11038504B2 (en) 2021-06-15
US20210281259A1 (en) 2021-09-09
TW201918001A (zh) 2019-05-01
US10715137B2 (en) 2020-07-14
US20220368326A1 (en) 2022-11-17
US20190123740A1 (en) 2019-04-25
US11437990B2 (en) 2022-09-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109698689A (zh) 积体电路
CN107005163B (zh) 用于GaN电路负载的GaN电路驱动器
US8664927B2 (en) Voltage regulator
JP6158210B2 (ja) 半導体モジュール及びその製造方法
US8054110B2 (en) Driver circuit for gallium nitride (GaN) heterojunction field effect transistors (HFETs)
CN110098823B (zh) 电平转换器及其操作方法及包括电平转换器的门驱动电路
CN109314457A (zh) 具有集成的栅极驱动器的功率器件
CN107170402B (zh) 半桥或全桥输出驱动级的栅极驱动器电路及对应驱动方法
CN108696103B (zh) 电子装置和用于对电平转换器电路进行偏置的方法
CN102571067A (zh) 电平移动电路以及开关电源装置
Zhang et al. High-frequency integrated gate drivers for half-bridge GaN power stage
CN107888167A (zh) 低静止电流半导体装置
CN109921779B (zh) 一种半桥电路直通保护电路
WO2018181212A1 (ja) スイッチング回路
TWI778333B (zh) 封裝結構以及製造方法
US11201620B2 (en) Power supply circuit and apparatus
CN111884490B (zh) 电力电路以及集成电路
CN113179095B (zh) 一种基于氮化镓工艺集成电路的输出级电路及其级联应用
US8432145B2 (en) Voltage supply circuit including a III-nitride based power semiconductor device
KR102657175B1 (ko) GaN FET용 구동회로
KR20230146427A (ko) 펄스 폭 제어 장치 및 방법
CN116566359A (zh) 信号生成系统、器件和生成脉冲宽度调制信号方法
CN113630001A (zh) 一种自举驱动双路正负压独立可调电源电路
Faelens Design of a multi-MHz resonant driver chip for high-voltage
CN110212904A (zh) 一种带有电压控制辅助电路的晶体管

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190430

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication