CN1815866A - 功率mosfet驱动器及其方法 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，功率MOSFET驱动器使用了两个不同的电压，用于该功率MOSFET驱动器的两个输出驱动器的操作电压。

Description

功率MOSFET驱动器及其方法

技术领域

本发明总的来说涉及电子器件，尤其是涉及形成半导体器件的方法和结构。

背景技术

在过去，半导体公司采用多种方法和结构生产功率金属氧化物半导体场效应晶体管(功率MOSFET)驱动器电路，其被用来驱动电源系统的功率MOSFET。通常，一个功率MOSFET被连接用来给电感供应充电电压，而第二功率MOSFET被连接用来使电感放电。第二功率MOSFET经常被称作同步整流器。，功率MOSFET通常具有很大的栅极电容，其中为了启动和截止晶体管，栅极电容必须被驱动。为了供应足够的驱动电流对功率MOSFET的电容进行充放电，驱动器电路具有很大的输出晶体管。驱动器电路通常从脉宽调制(PWM)控制器中接收脉宽调制(PWM)控制信号，并驱动适当的晶体管。这样的功率MOSFET驱动器电路的例子是由ON Semiconductor of Phoenix Arizona公司生产的NC5355。在某些情况下，被驱动器电路中的单个驱动器使用的电源电压不会产生最有效的运行。

因此，希望有一种功率MOSFET驱动器，基使用电源电压，该电源电压使得电源系统有效的运行。

附图说明

图1示意性的描述了根据本发明的电源系统10的一个实施例的一部分；

图2示意性的描述了根据本发明的图1所示的电源系统的一个晶体管驱动器的一个实施例的一部分；

图3示意性的描述了根据本发明的图1所示的电源系统的另一个晶体管驱动器的一个实施例的一部分；

图4示意性的描述了根据本发明的可替代图1所示的电源系统的电源系统的一个实施例的一部分；

图5描述了根据本发明的一个半导体封装的一个实施例的放大平面图，其具有半导体模，图1所示的电源系统的驱动器电路在其上面形成。

图6描述了根据本发明的一个半导体器件的一个实施例的放大平面图，其具有形成在半导体模上的驱动器电路。

为了描述的简单和清楚起见，图中的元件不是必须成比例，并且在不同图中的相同的附图标记代表着相同的器件。此外，为了描述的简单起见，省略了已知步骤和元件的说明和描述。正如此处所使用的，电流运载电极指的是一个器件的元件，其运载电流通过该器件，如MOS晶体管的源极或漏极，或者双极晶体管的发射极或集电极，或者二极管的阴极或阳极。控制电极指的是一个器件的元件，其控制电流流过该器件，如MOS晶体管的栅极或者双极性晶体管的基极。虽然这里的器件被解释为特定的N沟道或P沟道器件，但是所属领域的普通技术人员知道根据本发明也可以是互补器件。

具体实施方式

图1示意性的描述了能够有效运行的电源系统10的一个实施例的一部分。电源系统10在电源输入端11和电源返回端12之间从一个外部电源接收电源，并且在输出端13和端12间形成一个可调的输出电压。通常，在端11和12接收到的电源是一个大电压，例如一个电池电压或是一个来自于家用电源的整流正弦波。系统10包括一个上臂功率开关或功率MOSFET或晶体管18，一个下臂功率开关或功率MOSFET或晶体管19，一个储能电感21，一个滤波电容器22，一个升压电容器20，一个升压二极管17以及一个低压侧可调电容器24，一个PWM控制器16以及一个功率MOSFET驱动器电路25。晶体管18和19，电感21，电容器22，电容器20和电容器24通常是在电路25外部，然而，在一些实施例中晶体管18和19或电容器20或电容器24也可以作为电路25的一部分形成。电路25被形成用来从PWM控制器16的PWM驱动信号和启动信号，并且响应地使得晶体管18给电感21充电，晶体管19对电感21放电。PWM控制器16分别在控制器16各自的驱动和启动输出端生成PWM驱动信号和启动信号。电路25在输入端47接收PWM驱动信号，并在输入端48接收启动信号。控制器通常接收来自于反馈网络14的反馈信号，其代表着端13和12之间的输出电压值。这样的PWM控制器对本领域的技术人员是公知的。这样的PWM控制器的一个例子是由ON Semiconductor of Phoenix Arizona公司生产的NCP5318。施加在端11和12之间的大电压使得二极管17导通并且对电容器20充电以产生一个升压电压，该升压电压用作电路25的输入电压。升压电压被用作电路25的输入电压，是因为该电压高于可调的输出电压并且不大于端11上的输入电压。

电路25包括一个第一晶体管驱动器或是高压侧晶体管驱动器27，其通常可操作地与驱动器晶体管18耦合，一个第二晶体管驱动器或是低压侧晶体管驱动器28，其可操作地与驱动晶体管19耦合，一个低压侧操作电压调节器或是调节器39，一个控制逻辑模块，被用来控制来自PWM控制器16的信号并形成施加在驱动器27和28上的驱动控制信号，以及一个内部操作电压调节器或是内部调节器43。控制逻辑模块包括与门32，与门33以及反相器35、36、37和38。电路25接收升压电压作为电源电压或者输入电压，以施加在电压输入端41和电压返回端42之间。为了接收输入电压并且形成一个用于操作电路25的控制逻辑元件的内部操作电压，内部操作电压调节器43通常被连接在端41和端42之间。为了接收输入电压并且在调节器39的输出端40形成第二电压或是低压侧操作电压，低压侧操作电压调节器39被连接到端41和42之间。为了将低压侧操作电压施加到电容器24上，输出端40被连接到电路25的输出端51上。从下文中还可以看出，调节器39将电容器24充电到低压侧操作电压，使得电容器24用作低压侧操作电压的一个滤波及储能元件。另外，调节器39具有一个控制输入，该控制输入可以被用来启动或者停止调节器39在输出端40形成低压侧操作(电压)。例如，调节器39可具有一连接的电流源，当调节器39启动时，能为输出端40提供充电电流，并且当调节器39停止时，不能为输出端40提供充电电流。为了在输出端40和电容器24上使用低压侧操作电压作为驱动器28的操作电压，驱动器28连接在输出端40和返回端42之间。为了采用输入电压作为驱动器28的操作电压，驱动器27连接在端41和升压返回端50之间。通常输入电压大于调节器43的内部操作电压并且大于输出端40上的低压侧操作电压。并且，调节器43的内部操作电压比输出端40的低压侧操作电压大。

图2和图3示意性地描述了各个晶体管驱动器27和28的一个实例的一部分。这里的描述是参照图1，图2和图3的。驱动器27和28通常是缓冲器，其具有两个反相级，每个反相级都具有较前一个级更大的晶体管，以获得驱动晶体管18和19的栅极电容所需要的驱动电流。驱动器28的输出级通常具有一个上臂晶体管53和一个下臂晶体管54。可以看出，输出端52的电压值近似等于输入端29的电压值减去晶体管53的电压降，因此，输出端52的驱动信号的最大值近似等于输入端29的电压值。输出端52的驱动信号的最小值近似等于端42的电压加上晶体管54的电压降，因此，输出端52的驱动信号的最小值近似等于端42的电压值。因此，第二驱动信号的最大电压值对应于输出端40的低压侧操作电压。驱动器27同样具有一个输出级，该输出级具有一个上臂晶体管55和一个下臂晶体管56。驱动器27接收端41和返回端50之间的升压电压作为驱动器27的操作电压。因此，输出端49的驱动信号的最大值近似等于端41的电压值减去晶体管55的电压降或是近似等于端41的电压值。输出端49的驱动信号的最小值近似等于返回端50的电压加上晶体管56的电压降，或是近似等于返回端50的电压值。因此，第一驱动信号的最大电压值对应于端41的输入电压。

在运行时，当输入端47和48都为逻辑高电平时，门32的输出变为高电平，以给驱动器27的输入端提供一个驱动控制信号。驱动器27接收驱动控制信号并使输出端49变为高电平。驱动器27驱动输出端49达到输出端49的驱动信号的最大值或是近似等于输入电压值，并且使晶体管18给电感21充电。因此，驱动器27可以形成第一驱动信号的较高电压值。在输入端47上的高电平驱动信号使门33的输出变为低电平，并且给驱动器28的输入端提供一个逻辑低电平驱动控制信号。驱动器28相应地使得驱动输出端52的驱动信号为最小电压值或是近似等于端42的电压并且关断晶体管19。因此，驱动器28被启动以形成第二驱动信号的较低电压值。来自于门33的低电平逻辑信号也由调节器39接收，使得调节器39在输出端40不能形成低压侧操作电压。

如果输入端47达到一个逻辑低电平，而输入端48保持在逻辑高电平，门32的输出将被变为逻辑低电平。驱动器27接收逻辑低电平并使得输出端49低到最小电压值或是近似等于返回端50的电压，并且关断晶体管18。因此，驱动器27能够形成较低的第一驱动信号电压值。输入端47的低电平也驱动门33的输出为逻辑高电平。门33的高电平控制信号能使调节器39在输出端40上形成低压侧操作电压，并且使电容24充电到那个电压值。驱动器28接收逻辑高电平信号并使得输出端52高到最大电压值或者近似等于低压侧操作电压值，从而启动晶体管19。因此，驱动器28能够形成第二驱动信号的较高电压值。

选择调节器39输出端上40的电压值以给晶体管19提供驱动电压，该驱动电压对晶体管19产生低导通电阻。正如本领域的技术人员所知道的，功率MOSFET的导通电阻是施加在功率MOSFET栅极上的电压函数。如果电压低，那么导通电阻通常就高。当电压增加时，导通电阻就会减小。对某些栅极电压来说，导通电阻会接近于导通电阻的最小值。不小于导通电阻曲线上的拐点值的电压值通常被用作输出端40的电压值。这个值低于驱动器27的操作电压值。驱动器28使用的操作电压值比驱动器27的操作电压值低会减少电路25的功率消耗。使用一个能减小晶体管19导通电阻的电压会减少系统10的功率消耗。使调节器39形成低压侧操作电压，相应地形成启动晶体管19的控制信号，也能够减少电路25的功率消耗，这是因为在电路25的整个运行周期内，调节器39不消耗功率。应该注意的是，调节器39可以在较短或较长的时间内启动。例如，调节器39可以仅在门33的输出是逻辑高电平的部分时间内启动。

为了提供前述功能，二极管17的阴极与端11以及与晶体管18的漏极相连。二极管17的阳极与端41以及与电容器20的第一端相连。电容器20的第二端通常与返回端50、晶体管18的源极、电感21的第一端以及晶体管19的漏极相连。电感21的第二端通常与输出端13和电容器22的第一端相连。端41与调节器43的电源输入端、调节器39的电源输入端以及驱动器27的电源输入端相连。驱动器27的输出端与输出端49连接，该输出端49则与晶体管18的栅极相连。驱动器27的电源返回端和返回端50连接。驱动器27的输入端与门32的输出端相连。门32的第一输入端与反相器36的一个输出端相连，其中反相器36的输入端与反相器35的输出端以及门33的第一输入端相连。门32的第二输入端与门33的第二输入端以及反相器38的一个输出端相连。反相器38的一个输入端与反相器37的一个输出端相连，而反相器37的一个输入端则与输入端48相连。反相器35的一个输入端与输入端47相连。门33的输出端与调节器39的控制输入端以及驱动器28的输入端相连。驱动器28的电源输入端29通常与调节器39的输出端40、输出端51以及电容器24的第一端相连。驱动器28的电源返回端30通常与调节器39的电源返回端、调节器43的电源返回端以及电源端42相连。端12通常与端42、电容器24的第二端、晶体管19的源极以及电容器22的第二端相连。

图4示意性的描述了电源系统45的一个实施例的一部分，其包括一个功率MOSFET驱动器电路46。系统45是系统10的一个可替代实施例，而电路46则是电路25的一个可替代实施例，这些都在图1和图2的描述中说明了。电路46包括一个与调节器39一样的调节器58，不过调节器58被连接以接收升压返回端50的电源。配置调节器58以形成低压侧操作电压，相应地形成启动晶体管18的控制信号，而不是启动晶体管19的控制信号。当晶体管18启动时，返回端50的电压近似等于升压电压。启动调节器58，并对电容器24充电到低压侧操作电压。当门32的输出端上的控制信号为负时，调节器58也为负。然而，如前所述，电容器24被充电到低压侧操作电压值，并给驱动器28提供功率以启动晶体管19。在晶体管18启动的部分时间内，从调节器58对电容器24充电也能减少电路46的功率消耗，这是因为在电路46的整个运行周期内，调节器58不消耗功率。

图5示意性地描述了8端子半导体封装60的一个实施例的图示，电路25组装在其中。封装60的引脚或端子对应于图1和图2中所示的电路25的端子。

图6示意性地描述了一个半导体器件65的一个部分实施例的放大平面图，其在半导体管芯66上形成。电路25在管芯66上形成。为了图示简单起见，管芯66可以包括图6没有示出的其他电路。电路25和器件65可以使用半导体制造技术在管芯66上形成，这一点本领域的技术人员是知道的。

根据上述所有内容，很明显描述了一个新颖的装置和方法。在其他特征中，包括形成功率MOSFET驱动器的低压侧驱动器，其比高压侧驱动器可以运行在更低的操作电压下。使用较低的操作电压能够提高驱动器的效率，使用这样的驱动器，系统也能提高效率。使用低压侧操作电压，其值不小于功率晶体管的导通电阻曲线上的拐点的电压，也能够提高使用这样控制器的电源系统的效率。在低压侧驱动器启动的部分时间内，启动低压侧调节器以形成低压侧操作电压也会减少消耗消耗并提高效率。

尽管已经使用特定优选实施例对本发明进行了描述，不过明显的是对半导体领域的技术人员来说，许多替代和变更将是显而易见的。更具体的说，本发明虽然描述了特定的PNP和NPN晶体管结构，但是该方法可以直接应用于其他的双极晶体管，以及MOS、BiCMOS、金属半导体FET(MESFET)、HFET和其他晶体管结构。此外，为了描述的清楚起见，全部使用了单词“连接”，不过它也有和单词“耦合”同样的意思。因此，“连接”应该被解释为包括直接连接或者间接连接。

Claims (10)

1、一种功率MOSFET驱动器，包括：

耦合的第一晶体管驱动器，其在具有第一值的第一电压下运行并形成第一驱动信号以可操作地驱动第一MOS晶体管；和

耦合的第二晶体管驱动器，其在具有第二值的第二电压下运行并形成第二驱动信号以可操作地驱动第二MOS晶体管。

2、如权利要求1中的功率MOSFET驱动器，其中连接的第二晶体管驱动器，其在具有第二值的第二电压下运行并形成所述第二驱动信号以可操作地驱动第二MOS晶体管，包括连接的第一电压调节器，用来接收所述第一电压并形成所述第二电压。

3、如权利要求2中的功率MOSFET驱动器，其中配置第一电压调节器用来形成第二电压，相应地启动第二晶体管驱动器以形成第二驱动信号的高电平值。

4、如权利要求1中的功率MOSFET驱动器，其中配置第一晶体管驱动器用来从第一电压形成第一驱动信号的高电平值。

5、如权利要求1中的功率MOSFET驱动器，其中配置第二晶体管驱动器用来从第二电压形成第二驱动信号的高电平值。

6、一种形成功率MOSFET驱动器的方法，包括：

配置功率MOSFET驱动器的第一晶体管驱动器，用来形成具有输出电压值的第一驱动信号，该输出电压值对应于第一电源的第一电压值；和

配置功率MOSFET驱动器的第二晶体管驱动器，用来形成具有输出电压值的第二驱动信号，该输出电压值对应于第二电源的第二电压值，该第二电压值低于第一电压值。

7、如权利要求6中的方法，其中配置功率MOSFET驱动器的第二晶体管驱动器用来形成具有输出电压值的第二驱动信号，该输出电压值对应于第二电源的第二电压值，该第二电压值低于第一电压值，包括配置第二电源以在第二晶体管驱动器启动的部分时间内形成第二电压值从而形成第二驱动信号的较高电压值。

8、如权利要求7中的方法，其中配置第二电源以在第二晶体管驱动器启动的部分时间内形成第二电压值从而形成第二驱动信号的较高电压值的步骤，包括配置功率MOSFET驱动器，使得第二电源不能产生第二电压值，相应地启动第二晶体管驱动器以形成第二驱动信号的较低电压值。

9、如权利要求7中的方法，其中配置第二电源以在第二晶体管驱动器启动的部分时间内形成第二电压值从而形成第二个驱动信号的较高电压值的步骤，包括配置第二电源，以供应电流对电容器充电，相应地启动第二晶体管驱动器，以形成第二驱动信号的较高电压值。

10、一种操作功率MOSFET驱动器的方法，包括：

由第一操作电压值，操作该功率MOSFET驱动器的第一晶体管驱动器；以及

由第二个操作电压值，操作该功率MOSFET驱动器的第二晶体管驱动器。

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