TW201338365A - 上橋驅動電路 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種上橋驅動電路，其包含：功率電晶體、第一電晶體、第二電晶體、第二電容、第二二極體，以及啟動電路。其中啟動電路係耦接於一電阻與第二電容之間，用以作為一閘極驅動電路之一部分。此一電阻可以是功率電晶體的閘極等效電阻或是外加電阻。此驅動電路可以在不需浮動電源與負電壓源之情況下，使自舉電容具有足夠之時間充電，完成空乏型功率電晶體之開關切換。

Description

上橋驅動電路
本發明係關於一種驅動電路，特別是關於一種與自舉式電路結合之空乏型電晶體之上橋驅動電路。
一般高效率、大功率之系統中，係採用性能較佳之N-type元件作為上橋功率電晶體。因此，功率電晶體之源極為一浮動電壓，無法直接用一固定之閘極電壓進行電晶體之開關控制。傳統最常用來解決此一問題之方法乃是採用一自舉式電路(bootstrap circuit)，以使閘極電壓隨著源極電壓浮動。傳統自舉式電路之上橋功率電晶體驅動設計，僅適用於增強型電晶體，並不適用於空乏型功率電晶體，因為，空乏型功率電晶體之驅動中，自舉電容並無足夠時間充電。
請參考第1圖之習知技術，係為具有自舉電容之上橋閘極驅動電路(high side gate driver)示意圖。自舉電容之上橋閘極驅動電路100係用以驅動增強型功率電晶體Mtop，其工作原理如下：當增強型功率電晶體Mtop關閉時，輸入電壓VCC係對第一電容C1進行充電，其中，第一電容C1之負端(即增強型功率電晶體Mtop源極電壓)電壓係為零，以及正端電壓係為VCC。第一電晶體M1導通時，增強型功率電晶體Mtop之閘極-源極電壓VGS係為VCC，因此，增強型功率電晶體Mtop係導通，且源極電壓上升至VDD。增強型功率電晶體Mtop之閘極-源極電壓VGS藉由C1維持於VCC，以使增強型功率電晶體Mtop持續導通。當第一電晶體M1關閉、第二電晶體M2導通時，增強型功率電晶體Mtop之閘極-源極電壓VGS係為零，因此，增強型功率電晶體Mtop關閉。
然此電路設計僅適用於一增強型功率電晶體。當功率電晶體為空乏型電晶體時，由於空乏型電晶體之閘極-源極電壓VGS為零時，電晶體係為導通，因此針對具有自舉式電路之上橋閘極驅動電路，需提出一種適用於空乏型電晶體之電路設計。
近年來蓬勃發展的許多高性能的功率元件皆為空乏型元件。而傳統空乏型電晶體之驅動設計之一，係利用一MOSFET與高效能之空乏型元件結合，使之成為複合式的增強型(enhancement mode)元件，再利用現有增強型電晶體之驅動技術來進行元件開關控制。惟此種設計係會降低空乏型電晶體之效能，例如，增加複合元件導通時之電阻(on-resistance)。
而傳統空乏型電晶體的驅動設計之二，係利用一浮動電源(floating voltage source)以獲得所需之負電壓，以進行空乏型電晶體之開關控制，惟此設計需一浮動電源，在作法上較為複雜。
空乏型電晶體的驅動設計之三，係利用一電容及相關電晶體之切換，以製作一負電壓，並進空乏型電晶體之開關控制。此作法僅適用於下橋驅動電路，在一具有自舉式電路(bootstrap circuit)之上橋驅動電路中，此設計並不適合。
因此，本發明提出一種空乏電晶體之上橋閘極驅動電路，此電路可以與自舉電容電路相結合，以完成空乏型功率電晶體之開關切換，不會降低空乏型功率電晶體之效能，亦不需浮動電源或是負電源。
本發明提供一種上橋驅動電路，其包含：功率電晶體、第一電晶體、第二電晶體、第二電容、第二二極體，以及電阻。功率電晶體之汲極係耦接第一電源。第一電晶體之源極係耦接一第一電容與一第一二極體之間，第一二極體係耦接第二電源。第二電晶體之汲極係耦接第一電晶體之汲極。第二電容係耦接第一電晶體之汲極，以及第二電晶體之汲極。第二二極體係耦接第二電容與第二電晶體之源極，第二電晶體係耦接輸出。電阻係耦接於第二電容與功率電晶體之閘極間。第一位準位移器係耦接第一輸入與第二輸入。
閂鎖迴路裝置係耦接於第一位準位移器以及該第一電晶體閘極與該第二電晶體之閘極。啟動電路係耦接電阻與第二電容之間。其中啟動電路係用以關閉功率電晶體，以使第二電源有足夠之時間對第一電容進行充電。
上橋驅動電路之啟動電路設計一更包含第三電晶體以及第二位準位移器，第三電晶體之汲極係耦接電阻，第三電晶體之閘極以及源極係耦接第二位準位移器，其中第三電晶體之源極係耦接第三電源。第三電源係為一負電壓源，其中第三電晶體係導通，以使功率電晶體之閘極為一負電壓，其中第三電源係提供一負電壓於該功率電晶體之閘極，以關閉該功率電晶體，使該第二電源有足夠之時間對該第一電容進行充電。
上橋驅動電路之啟動電路設計二更包含第三電晶體以及第三二極體，第三電晶體之源極係接地，第三電晶體之汲極係耦接第三二極體，第三二極體係耦接電阻與該第二電容，其中第三二極體係限制一電流流動方向，以部份關閉功率電晶體，使第二電源有足夠之時間對第一電容進行充電。
於又一方面，功率電晶體係為一空乏型電晶體。
於又一方面，功率電晶體之材料係包含碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)。
提出一種空乏電晶體之上橋閘極驅動電路，以改善自舉電容無足夠時間充電之問題，以完成空乏型功率電晶體之開關切換，不會降低空乏型功率電晶體之效能，亦可不需浮動電源或是負電源。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵級技術內容，請參考以下有關本發明之詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明之使用，並非用以限制本發明。
請參考第2圖，係為根據本發明之一實施例所繪示空乏型電晶體之上橋驅動電路電路示意圖。空乏型電晶體(Depletion-mode transistor)與增強型電晶體不同之處在於，其汲極-源極電壓VGS為負值時電晶體關閉，汲極-源極電壓VGS為零時，電晶體係導通。因此，針對空乏型電晶體需要設計一電路，用以控制此空乏型電晶體之開啟與關閉。如第2圖所示，其係揭露一上橋驅動電路200。上橋驅動電路200包含：功率電晶體Mtop、第一電晶體M1、第二電晶體M2、第一電容C1、第二電容C2、第一二極體D1、第二二極體D2、啟動電路210、第一位準位移器202、閂鎖迴路裝置204以及電阻Rg。其中，功率電晶體Mtop係為一空乏型電晶體。其中，電阻Rg可以是功率電晶體的等效閘極電阻或是一外加電阻。功率電晶體Mtop之材料係包含碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)。功率電晶體Mtop之汲極係耦接第一電源VDD。第一電晶體M1之源極係耦接第一電容C1與第一二極體D1之間，第一二極體D1係耦接第二電源VCC。第二電晶體M2之汲極係耦接第一電晶體M1之汲極。第二電容C2係耦接第一電晶體M1之汲極，以及第二電晶體M2之汲極。第二二極體D2係耦接第二電容C2與第二電晶體M2之源極，第二電晶體M2係耦接輸出Vout。本實施例中，輸出Vout係介於0伏特至VDD之間。電阻Rg係耦接於第二電容C2與功率電晶體Mtop之閘極間。第一位準位移器2D2係耦接第一輸入Vin1與第二輸入Vin2。閂鎖迴路裝置204係耦接於第一位準位移器202與第一電晶體M1之閘極與第二電晶體M2之閘極。啟動電路210係耦接電阻Rg與第二電容C2之間。本實施例中，係假設第一電容C1之電容值係大於第二電容C2之電容值一個數量級以上。
第2圖所示上橋驅動電路200之啟動電路210係用以驅動空乏型之功率電晶體Mtop，其中，啟動電路210包含：第二位準位移器212以及第三電晶體M3。第三電晶體M3之汲極係耦接電阻Rg。第三電晶體M3之閘極與源極係耦接第二位準位移器第三電晶體M3係耦接一第三電源VSS。其中第三電源VSS係為負電壓源。當第三電晶體M3係導通時，功率電晶體Mtop之閘極係為負電壓。第三電源VSS提供一負電壓於功率電晶體Mtop閘極，以關閉功率電晶體Mtop，第二電源VCC係對第一電容C1充電，第一電容之負端電壓(即功率電晶體Mtop之源極電壓)係為零。因此，第一電容C1之正端電壓為VCC。當第一電晶體M1導通時，第一電容C1、第二電容C2以及第二二極體D2係形成一迴路，因此，第二電容C2之電壓差為VCC。第二電容C2之負端電壓為零。功率電晶體Mtop之閘極-源極電壓VGS亦為零，則功率電晶體Mtop導通。同樣藉由自舉式電路，使得功率電晶體Mtop持續導通。當第一電晶體M1關閉，第二電晶體M2導通時，第二電容C2之正端電壓(即功率電晶體Mtop之源極電壓)，以使第二二極體D2關閉。功率電晶體Mtop之閘極-源極電壓VGS為-VCC，以使功率電晶體Mtop關閉。本實施例係藉由額外之第二電容C2、第二二極體D2以及啟動電路210，以對空乏型之功率電晶體Mtop進行控制，藉由此種啟動電路210之設計，使第二電源VCC有足夠之時間對第一電容C1進行充電。於此實施例，上橋驅動電路200可完成空乏型功率電晶體Mtop 24伏特之開關控制，其中，其開關頻率為100KHz。
請參考第3圖所示之另一實施例，其係為根據本發明之另一實施例所繪示空乏型電晶體之上橋驅動電路電路示意圖。本實施例與上一實施例之差異在於，本實施例之啟動電路310設計方式不同，其中，第三電晶體M3之源極係接地，且第三電晶體M3之汲極係耦接一第三二極體D3。該第三二極體D3之另一端係偶接於電阻Rg，與第二電容C2之間。
第3圖所示之上橋驅動電路300包含：功率電晶體Mtop、第一電晶體M1、第二電晶體M2、第一電容C1、第二電容C2、第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、啟動電路310、第一位準位移器302、閂鎖迴路裝置304以及電阻Rg。其中，功率電晶體Mtop係為一空乏型電晶體。功率電晶體Mtop之材料係包含碳化矽(SiC)或氮化鎵(GaN)。功率電晶體Mtop之汲極係耦接第一電源VDD。第一電晶體M1之源極係耦接第一電容C1與第一二極體D1之間，第一二極體D1係耦接第二電源VCC。第二電晶體M2之汲極係耦接第一電晶體M1之汲極。第二電容C2係耦接第一電晶體M1之汲極，與第二電晶體M2之汲極。第二二極體D2係耦接第二電容C2與第二電晶體之源極，第二電晶體M2係耦接輸出Vout。電阻Rg係耦接於第二電容C2與功率電晶體Mtop之閘極間。第一位準位移器302係耦接第一輸入Vin1與第二輸入Vin2。閂鎖迴路裝置304係耦接於第一位準位移器302與第一電晶體M1之閘極與第二電晶體M2之閘極。啟動電路310係耦接電阻Rg與第二電容C2。於本實施例，係假設第一電容C1之電容值係大於第二電容C2之電容值一個數量級以上。
第3圖之上橋驅動電路300之啟動電路310係用以驅動空乏型之功率電晶體Mtop，其中，啟動電路310包含：第三電晶體M3，以及第三二極體D3。第三電晶體M3之源極係接地，藉此，可直接利用0-5伏特之訊號，以控制啟動電路310，而不需額外之位準位移器。
請參考第3圖，其操作方式為，當一開始時，啟動電路310之第三電晶體M3導通，使上橋之功率電晶體Mtop之閘極電位約為0伏特，則輸出Vout係被限制於上橋之功率電晶體之臨界電壓Vth，於本實施例中，例如為-4伏特，因此，輸出Vout約為4伏特。接著，第二電源VCC將對第一電容C1充電，使第一電容C1之跨壓為VCC-Vout。隨後再將第三電晶體M3關閉，即可用前述之開關動作來控制上橋之功率電晶體Mtop之開關切換，在此不再贅述。本實施例係藉由額外之第二電容C2、第二二極體D2、以及啟動電路310，以對空乏型之功率電晶體Mtop進行控制，藉由此種啟動電路310之設計，使第二電源VCC有足夠之時間對第一電容C1進行充電。
需注意的是，最初第一電容C1之跨壓僅能充電至VCC-Vout(即近似於VCC-∣Vth∣)，因此，需選定第二電源VCC，使得-(VCC-∣Vth∣)<Vth，即可將功率電晶體Mtop關閉。第三電晶體M3具有一第三二極體D3，用以限制電流流向，以使功率電晶體Mtop可作正常之切換。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
200．．．上橋驅動電路
202．．．第一位準位移器
204．．．閂鎖迴路裝置
210．．．啟動電路
212．．．第二位準位移器
Mtop．．．功率電晶體
M1．．．第一電晶體
M2．．．第二電晶體
M3．．．第三電晶體
C1．．．第一電容
C2．．．第二電容
D1．．．第一二極體
D2．．．第二二極體
Rg．．．電阻
Vout．．．輸出
Vin1．．．第一輸入
Vin2．．．第二輸入
VDD．．．第一電源
VCC．．．第二電源
VSS．．．第三電源
300．．．上橋驅動電路
302．．．第一位準位移器
304．．．閂鎖迴路裝置
310．．．啟動電路
D3．．．第三二極體
第1圖，係為根據傳統具有自舉電容之上橋閘極驅動電路示意圖；
第2圖，係為根據本發明之一實施例所繪示空乏型電晶體之上橋驅動電路電路示意圖；以及
第3圖，係為根據本發明之另一實施例所繪示空乏型電晶體之上橋驅動電路電路示意圖。
200．．．上橋驅動電路
202．．．第一位準位移器
204．．．閂鎖迴路裝置
210．．．啟動電路
212．．．第二位準位移器
Mtop．．．功率電晶體
M1．．．第一電晶體
M2．．．第二電晶體
M3．．．第三電晶體
C1．．．第一電容
C2．．．第二電容
D1．．．第一二極體
D2．．．第二二極體
Rg．．．電阻
Vout．．．輸出
Vin1．．．第一輸入
Vin2．．．第二輸入
VDD．．．第一電源
VCC．．．第二電源
VSS．．．第三電源

Claims (6)

  1. 一種上橋驅動電路，其包含：一功率電晶體，該功率電晶體之汲極係耦接一第一電源；一第一電晶體，該第一電晶體之源極係耦接一第一電容與一第一二極體之間，該第一二極體係耦接一第二電源；一第二電晶體，該第二電晶體之汲極係耦接該第一電晶體之汲極；一第二電容，係耦接該第一電晶體之汲極，以及該第二電晶體之汲極；一第二二極體，係耦接該第二電容與該第二電晶體之源極，且該第二電晶體係耦接一輸出；一電阻，係耦接於該第二電容與該功率電晶體之閘極間；一第一位準位移器，係耦接一第一輸入與一第二輸入；一閂鎖迴路裝置，係耦接於該第一位準位移器以及該第一電晶體閘極與該第二電晶體之閘極；以及一啟動電路，係耦接該電阻與該第二電容之間；其中，該啟動電路係用以關閉該功率電晶體，以使該第二電源有足夠之時間對該第一電容進行充電。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之上橋驅動電路，其中該啟動電路更包含一第三電晶體以及一第二位準位移器，該第三電晶體之汲極係耦接該電阻，該第三電晶體之閘極以及源極係耦接該第二位準位移器，其中該第三電晶體之源極係耦接一第三電源。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之上橋驅動電路，其中，該第三電源係為一負電壓源，其中該第三電晶體係導通，以使該功率電晶體之閘極為一負電壓，其中第三電源係提供該負電壓於該功率電晶體之閘極，以關閉該功率電晶體，使該第二電源有足夠之時間對該第一電容進行充電。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之上橋驅動電路，其中啟動電路更包含一第三電晶體以及一第三二極體，該第三電晶體之源極係接地，該第三電晶體之汲極係耦接該第三二極體，該第三二極體係耦接該電阻與該第二電容，其中該第三二極體係限制一電流，以關閉該功率電晶體，使該第二電源有足夠之時間對該第一電容進行充電。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之上橋驅動電路，其中該功率電晶體係為一空乏型電晶體。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之上橋驅動電路，其中該功率電晶體之材料係係由碳化矽(SiC)以及氮化鎵(GaN)群組所選出。
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