CN206946908U - 高侧栅极驱动器 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种高侧栅极驱动器，包括：第一和第二电流镜，第一N沟道晶体管，第一和第二开关电路，第一和第二第一类型二极管，以及第一第二类型二极管。第一和第二开关电路被分别设置在第一电流镜的输出端和第一N沟道晶体管的源极之间以及第一N沟道晶体管的漏极和第二电流镜的输入端之间。第一第一类型二极管的阳极和阴极被设置为与第一N沟道晶体管的源极以及第二第一类型二极管的阴极相连，第二第一类型二极管的阳极被设置为与第二电流镜的输出端相连，第一第二类型二极管的阳极和阴极被设置为与接地和第二第一类型二极管的阴极相连。利用该高侧栅极驱动器，可以满足晶体管栅极引脚在上电和未上电时的负压要求，而无需另外设置限流电阻。

Description

高侧栅极驱动器
技术领域
本实用新型通常涉及高侧栅极驱动器领域，更具体地，涉及能够满足晶体管的栅极引脚的负压要求的高侧栅极驱动器。
背景技术
对于不同应用领域中特别是汽车领域使用的高侧栅极驱动器，由于PCB迹线或PCB组件的寄生电阻和寄生电感以及晶体管状态变换期间的大且快的电流，在比如功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)的源级和栅极处会出现负压。此外，当具有高侧栅极驱动器的电子控制单元(ECU，Electrical Control Unit)被断开时，由于来自其它工作中的ECU的电容性耦合，也会出现这种负压。当功率MOSFET的源极或栅极存在这种负压时，由于芯片内部集成的晶体管的内在闩锁效应，会产生较大的不受控电流，由此会导致芯片损坏。
为了解决上述问题，在现有的高侧栅极驱动器中，通常在高侧栅极驱动器的栅极引脚和外部MOSFET的栅极引脚之间设置一个限流电阻Rg，可以用来应对源级和栅极之间的负压问题，如图1所示，其中，所述限流电阻Rg的大小由具体应用来确定。然而，由于在高侧栅极驱动器的栅极引脚和外部MOSFET的栅极引脚之间需要另外设置限流电阻Rg，从而增加了ECU单元的开发成本。
实用新型内容
鉴于上述问题，本实用新型提供了一种高侧栅极驱动器，其能够满足功率晶体管的栅极引脚在上电和未上电时的负压要求，而无需在高侧栅极驱动器的栅极引脚和待驱动的功率晶体管的栅极端之间另外设置限流电阻。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种高侧栅极驱动器，所述驱动器包括：第一和第二电流镜(Ip1，In1)，第一N沟道晶体管(Mn1)，第一和第二开关电路，第一和第二第一类型二极管(d1，d2)，以及第一第二类型二极管(d3)，其中，所述第一开关电路被设置在所述第一电流镜(Ip1)的输出端和所述第一N沟道晶体管(Mn1)的源极之间，所述第二开关电路被设置在所述第一N沟道晶体管(Mn1)的漏极和所述第二电流镜(In1)的输入端之间，所述第一第一类型二极管(d1)的阳极和阴极被分别设置为与第一N沟道晶体管(Mn1)的源极以及所述第二第一类型二极管(d2)的阴极相连，所述第二第一类型二极管(d2)的阳极被设置为与所述第二电流镜(In1)的输出端相连，所述第一第二类型二极管(d3)的阳极和阴极被分别设置为与接地和所述第二第一类型二极管(d2)的阴极相连，所述第一电流镜(Ip1)的输入端、所述第一N沟道晶体管(Mn1)的源极以及所述第二电流镜(In1)的输出端分别与所述高侧栅极驱动器的电压引脚、栅极引脚和源极引脚相连，并且所述第一N沟道晶体管(Mn1)、所述第二开关电路和所述第二电流镜(In1)具有与衬底电气隔离的结构。
利用本实用新型的高侧栅极驱动器，通过将高侧栅极驱动器的栅极引脚设置为与具有与衬底电气隔离结构的N沟道晶体管的源极以及二极管的阳极相连，可以使得高侧栅极驱动器满足功率晶体管的栅极引脚在上电和未上电时的负压要求，而无需在高侧栅极驱动器的栅极输出端和要被驱动的晶体管的栅极端之间另外设置限流电阻。
附图说明
通过参照下面的附图，可以实现对于本公开内容的本质和优点的进一步理解。在附图中，类似组件或特征可以具有相同的附图标记。
图1示出了现有技术的高侧栅极驱动器的一个实现示例的方框图；
图2示出了根据本实用新型的高侧栅极驱动器的一个实现示例的电路图；和
图3示出了根据本实用新型的高侧栅极驱动器的另一实现示例的电路图。
具体实施方式
现在结合附图来描述本实用新型的高侧栅极驱动器。
图2示出了根据本实用新型的高侧栅极驱动器的一个实现示例的电路图。在图2中，由实线框标记出的电路部分对应于本实用新型的高侧栅极驱动器的电路图。如图2所示，所述高侧栅极驱动器可以包含在ASIC(Application Specific Integrated Circuit，集成电路)中，即，所述高侧栅极驱动器可以在ASIC中实现。
如图2中所示，高侧栅极驱动器包括：第一和第二电流镜Ip1、In1，第一和第二N沟道晶体管Mn1、Mn2，第一P沟道晶体管Mp1，以及第一到第三二极管d1、d2、d3。其中，第一和第二二极管d1和d2是双向导通型二极管(即，第一类型二极管)，以及第三二极管d3是单向导通型二极管(即，第二类型二极管)。
第一电流镜Ip1的输入端被设置为与高侧栅极驱动器的电压引脚VCP相连。第一电流镜Ip1的输出端被设置为与第一P沟道晶体管Mp1的源极相连。所述第一电流镜Ip1和第一P沟道晶体管Mp1用于开启功率MOSFET。具体地，第一电流镜Ip1用于接收由外部充电泵提供的电流，并且在第一P沟道晶体管Mp1导通时，为功率MOSFET的栅极充电。第一电流镜Ip1可以采用本领域公知的各种电路结构来实现。这里，第一P沟道晶体管Mp1的作用相当于开关(即，第一开关电路)。在第一P沟道晶体管Mp1导通时，来自第一电流镜Ip1的电流流向功率MOSFET的栅极。在第一P沟道晶体管Mp1截止时，来自第一电流镜Ip1的电流截止，不流向功率MOSFET的栅极。在本实用新型的其它示例中，所述第一P沟道晶体管Mp1可以利用其它类型的开关电路替换。
第一N沟道晶体管Mn1的源极被设置为与第一P沟道晶体管Mp1的漏极以及第一二极管d1的阳极相连。此外，第一N沟道晶体管Mn1的源极还被设置为与高侧栅极驱动器的栅极引脚Gate相连，用于经由栅极引脚，向与所述高侧栅极驱动器相连的待驱动功率晶体管提供栅极放电电流，以驱动该功率晶体管。所述待驱动功率晶体管例如可以是功率MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等。第一N沟道晶体管Mn1被设置为具有与衬底电气隔离的结构。例如，所述与衬底电气隔离的结构可以是N-ring结构，如图2中所示。
第二N沟道晶体管Mn2的漏极被设置为与第一N沟道晶体管Mn1的漏极相连，以及第二N沟道晶体管Mn2的源极被设置为与第二电流镜In1的输入端相连。第二电流镜In1的输出端被设置为与高侧栅极驱动器的源极引脚Source相连。这里，第二电流镜In1用于接收由功率MOSFET栅极提供的电流，并且在第二N沟道晶体管Mn2导通时，为功率MOSFET的栅极放电。所述第二电流镜In1被设置为具有与衬底电气隔离的结构。例如，所述与衬底电气隔离的结构可以是N-ring结构，如图2中所示。所述第二电流镜In1可以采用本领域公知的各种电路结构来实现。
同样，第二N沟道晶体管Mn2的作用相当于开关。在第二N沟道晶体管Mn2导通时，电流从功率MOSFET的栅极流向该功率MOSFET的源极。在第二N沟道晶体管Mn2截止时，来自第二电流镜In1的电流截止。在本实用新型的其它示例中，所述第二N沟道晶体管Mn2可以利用其它类型的具有与衬底电气隔离结构的开关电路替换。而且，第二N沟道晶体管Mn2被设置为具有与衬底电气隔离的结构。例如，所述与衬底电气隔离的结构可以是N-ring结构，如图2中所示。
此外，要说明的是，第一和第二电流镜Ip1、In1不是同时工作。即，在第一电流镜Ip1工作时，第二电流镜In1不工作。在第二电流镜In1工作时，第一电流镜Ip1不工作。
此外，如图2中所示，第二和第三二极管d2，d3被设置在第二电流镜In1的输出端与接地之间。具体地，第二二极管d2的阳极被设置为与第二电流镜In1的输出端相连，第二二极管d2的阴极被设置为与第三二极管d3的阴极相连，以及第三二极管d3的阳极被设置为接地。
此外，如图2所示，第二二极管d2的阴极还被设置为与第一二极管d1的阴极相连。即，第一二极管d1被设置在第一N沟道晶体管Mn1的源极(即，栅极Gate)和第二二极管d2的阴极之间。具体地，第一二极管d1的阳极被设置为与第一N沟道晶体管Mn1的源极相连，以及第一二极管d1的阴极被设置为与第二二极管d2的阴极相连。
在本实用新型的一个示例中，第一和第二二极管d1和d2可以采用骤回型ESD二极管，以及第三二极管d3可以采用ESD二极管。例如，第一和第二二极管d1和d2可以采用正向导通电压为0.7V以及反向导通电压为7V的ESD骤回型ESD二极管，以及第三二极管d3可以采用正向导通电压为0.7V的ESD单向二极管。在本实用新型的其它示例中，第一和第二二极管d1和d2也可以采用其它合适类型的双向导通型二极管，以及第三二极管d3可以采用其它合适类型的单向导通型二极管。
如上参照图2描述了根据本实用新型的高侧栅极驱动器。利用图2中的高侧栅极驱动器，通过将高侧栅极驱动器的栅极引脚Gate设置为与具有与衬底电气隔离结构的N沟道晶体管的源极以及具有与衬底电气隔离结构的二极管的阳极相连，可以使得高侧栅极驱动器满足功率晶体管的栅极引脚在未上电和上电时的负压要求，而无需在高侧栅极驱动器的栅极输出端和要被驱动的晶体管的栅极端之间另外设置限流电阻。
图3示出了根据本实用新型的高侧栅极驱动器的另一实现示例的电路图。与图2相比，图3中示出的高侧栅极驱动器还包括设置在第一二极管d1的阴极和第二二极管d2的阴极之间的第四二极管d4。具体地，第四二极管d4的阴极被设置为与第一二极管d1的阴极相连，以及第四二极管d4的阳极被设置为与第二二极管d2的阴极相连。这里，第四二极管d4是双向导通型二极管。在本实用新型的一个示例中，第四二极管d4可以采用骤回型ESD二极管。例如，第四二极管d4可以采用正向导通电压为0.7V以及反向导通电压为7V的ESD骤回型ESD二极管。
此外，优选地，在图3中示出的高侧栅极驱动器中还可以设置有限压电路。所述限压电路设置在第二电流镜(In1)的输出端和接地之间。如图3中所示，限压电路由第五二极管d5和钳位电路clamp1构成，所述钳位电路clamp1由第三N沟道晶体管Mn3和电阻器构成。这里，第五二极管d5可以采用任何类型的单向导通型二极管。第三N沟道晶体管Mn3可以是任何类型的N沟道晶体管。具体地，第五二极管d5的阳极被设置为与第二电流镜In1的输出端相连，第五二极管d5的阴极被设置为与第三N沟道晶体管Mn3的漏极相连，第三N沟道晶体管Mn3的源极接地，并且电阻器设置在第三N沟道晶体管Mn3的栅极与源极之间。在这种情况下，第一到第四二极管和限压电路一起可以更好地实现ESD保护。
在本实用新型的其它示例中，所述限压电路和/或钳位电路可以采用本领域公知的其它方式实现。此外，在本实用新型的其它示例中，高侧栅极驱动器也可以不包括上述限压电路。
此外，图2和图3中示出的高侧栅极驱动器中的各个电路元件(比如P沟道晶体管、N沟道晶体管、第一到第五二极管以及电阻器)的参数可以根据设计需要合适地选择。
此外，优选地，在本实用新型的其它示例中，在电压引脚(VCP引脚)和栅极引脚(Gate引脚)之间(即，第一电流镜的输入端和第一N沟道晶体管的源极之间)还可以设置有另一ESD保护电路。所述ESD保护电路可以由一个或多个单向导通型二极管构成。在由一个单向导通型二极管构成时，该二极管的阴极被设置为与第一电流镜的输入端(即，电压引脚VCP)相连，以及该二极管的阳极被设置为与第一N沟道晶体管的源极(即，栅极引脚Gate)相连。在由多个单向导通型二极管构成时，所述多个单向导通型二极管被设置为同向串联，并且第一个单向导通型二极管的阴极被设置为与第一电流镜的输入端(即，电压引脚VCP)相连，以及最后一个二极管的阳极被设置为与第一N沟道晶体管的源极(即，栅极引脚Gate)相连。
此外，在本实用新型的另一示例中，所述第一N沟道晶体管(Mn1)可以利用电阻来替换，所述电阻的参数被设置为使得在栅极相对源极发生负电压时能够有效地限制电流，并且在所述高侧栅极驱动器正常工作的时候满足所述高侧栅极驱动器的芯片参数要求。
利用图3中示出的高侧栅极驱动器，同样可以使得高侧栅极驱动器满足功率晶体管的栅极引脚的负压要求，而无需在高侧栅极驱动器的栅极输出端和要被驱动的晶体管的栅极端之间另外设置限流电阻。此外，通过在源极引脚和接地之间设置限压电路，可以在发生ESD时候，通过限压电路来进行ESD保护。

Claims (15)

1.一种高侧栅极驱动器，其特征在于，所述驱动器包括：第一和第二电流镜(Ip1，In1)，第一N沟道晶体管(Mn1)，第一和第二开关电路，第一和第二第一类型二极管(d1，d2)，第一第二类型二极管(d3)，以及其中，
所述第一开关电路被设置在所述第一电流镜(Ip1)的输出端和所述第一N沟道晶体管(Mn1)的源极之间，所述第二开关电路被设置在所述第一N沟道晶体管(Mn1)的漏极和所述第二电流镜(In1)的输入端之间，
所述第一第一类型二极管(d1)的阳极和阴极被分别设置为与第一N沟道晶体管(Mn1)的源极以及所述第二第一类型二极管(d2)的阴极相连，所述第二第一类型二极管(d2)的阳极被设置为与所述第二电流镜(In1)的输出端相连，
所述第一第二类型二极管(d3)的阳极和阴极被分别设置为与接地和所述第二第一类型二极管(d2)的阴极相连，
所述第一电流镜(Ip1)的输入端、所述第一N沟道晶体管(Mn1)的源极以及所述第二电流镜(In1)的输出端分别与所述高侧栅极驱动器的电压引脚、栅极引脚和源极引脚相连，并且所述第一N沟道晶体管(Mn1)、所述第二开关电路和所述第二电流镜(In1)具有与衬底电气隔离的结构。
2.如权利要求1所述的高侧栅极驱动器，其特征在于，所述与衬底电气隔离的结构包括N-ring结构。
3.如权利要求1或2所述的高侧栅极驱动器，其特征在于，所述驱动器还包括：
第三第一类型二极管(d4)，所述第三第一类型二极管(d4)的阳极和阴极被分别设置为与所述第二第一类型二极管(d2)的阴极以及所述第一第一类型二极管(d1)的阴极相连。
4.如权利要求1或2所述的高侧栅极驱动器，其特征在于，所述第一 开关电路由P沟道晶体管(Mp1)实现，其中，所述P沟道晶体管(Mp1)的源极和漏极被分别设置为与所述第一电流镜(Ip1)的输出端和所述第一N沟道晶体管(Mn1)的源极相连。
5.如权利要求3所述的高侧栅极驱动器，其特征在于，所述第一开关电路由P沟道晶体管(Mp1)实现，其中，所述P沟道晶体管(Mp1)的源极和漏极被分别设置为与所述第一电流镜(Ip1)的输出端和所述第一N沟道晶体管(Mn1)的源极相连。
6.如权利要求1或2所述的高侧栅极驱动器，其特征在于，所述第二开关电路由具有与衬底电气隔离的结构的第二N沟道晶体管(Mn2)实现，其中，所述第二N沟道晶体管(Mn2)的漏极和源极被分别设置为与所述第一N沟道晶体管(Mn1)的漏极以及所述第二电流镜(In1)的输入端相连。
7.如权利要求3所述的高侧栅极驱动器，其特征在于，所述第二开关电路由具有与衬底电气隔离的结构的第二N沟道晶体管(Mn2)实现，其中，所述第二N沟道晶体管(Mn2)的漏极和源极被分别设置为与所述第一N沟道晶体管(Mn1)的漏极以及所述第二电流镜(In1)的输入端相连。
8.如权利要求4所述的高侧栅极驱动器，其特征在于，所述第二开关电路由具有与衬底电气隔离的结构的第二N沟道晶体管(Mn2)实现，其中，所述第二N沟道晶体管(Mn2)的漏极和源极被分别设置为与所述第一N沟道晶体管(Mn1)的漏极以及所述第二电流镜(In1)的输入端相连。
9.如权利要求5所述的高侧栅极驱动器，其特征在于，所述第二开关电路由具有与衬底电气隔离的结构的第二N沟道晶体管(Mn2)实现，其中，所述第二N沟道晶体管(Mn2)的漏极和源极被分别设置为与所述第一N沟道晶体管(Mn1)的漏极以及所述第二电流镜(In1)的输入端相连。
10.如权利要求1或2所述的高侧栅极驱动器，其特征在于，所述驱动器还包括：
设置在所述第二电流镜(In1)的输出端和接地之间的限压电路。
11.如权利要求10所述的高侧栅极驱动器，其特征在于，所述限压电路由第二第二类型二极管和钳位电路实现。
12.如权利要求1或2所述的高侧栅极驱动器，其特征在于，所述第一类型二极管是双向导通型二极管，以及所述第二类型二极管是单向导通型二极管。
13.如权利要求12所述的高侧栅极驱动器，其特征在于，所述第一类型二极管是骤回型ESD二极管，以及所述第二类型二极管是ESD二极管。
14.如权利要求1所述的高侧栅极驱动器，其特征在于，所述第一N沟道晶体管(Mn1)利用电阻替换。
15.一种集成电路，其特征在于，包括如权利要求1到14中任一所述的高侧栅极驱动器。
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