TWI680645B - 脈衝驅動之功率場效電晶體 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種功率驅動電路。該功率電路包括：一脈衝偵測器，其經組態以分別回應於第一脈衝信號及第二脈衝信號而產生第一控制信號及第二控制信號。該功率驅動電路亦包括一狀態儲存裝置，其經組態以分別回應於該第一控制信號及該第二控制信號而產生第一驅動器輸入信號及第二驅動器輸入信號。該功率驅動電路亦包括一驅動器，其經組態以分別回應於該第一驅動器輸入信號及該第二驅動器輸入信號而產生第一閘極驅動信號及第二閘極驅動信號。該功率驅動電路亦包括一電源開關，其經組態以接收該第一閘極驅動信號及該第二閘極驅動信號，其中該第一閘極驅動信號及該第二閘極驅動信號控制該電源開關，以選擇性地在第一端及第二端之間傳導或不傳導電流。
Description
所描述之實施例總體上係關於氮化鎵半導體，且更特定言之，係關於被脈衝偵測電路控制之電源開關。
現存積體電路，其包括連同閘極驅動器之GaN功率場效電晶體，且在單個整體封裝中可用。此允許標準PWM信號(來自微控制器或PWM控制器IC)被用作用於接通及斷開功率場效電晶體之簡單輸入。此等產品，諸如圖1中所說明之產品，包括VCC電源引腳、PWM閘極驅動輸入、VDD電源引腳、DZ齊納(Zener)參考引腳、功率場效電晶體汲極連接，及功率場效電晶體源極連接。功率場效電晶體之閘極驅動輸出與閘極連接之間之連接係內部連接。此組態係功率電子學領域之驚人的突破性發明，且有助於解決在高頻及高轉換速率(dv/dt)切換模式下操作之GaN功率場效電晶體的噪聲及暫態抗擾性的基礎問題，且提供用於程式化裝置所要之接通轉換速率之額外靈活性。
為根據此設計進一步改良，期望在浮動高壓側組態中使用此裝置，同時仍自標準低壓側參考PWM信號驅動裝置。現存解決方案，諸如圖2中所說明之解決方案，需要一額外高壓側驅動器IC或半橋接驅動器IC以自低壓側跨越隔離或高電壓阻擋層電壓偏移PWM信號至高壓側。然而，此類解決方案具有頻率限制，具有傳播延遲限制，消耗高電流，需要額外PCB佔據區面積，且昂貴。需要一種新解決方案，其簡單且可靠，以高速及低傳播延遲執行，且容易整合至現存GaN功率場效電晶體及閘極驅動器整體電路中。
一個通用態樣包括一功率驅動電路，其包括：一脈衝偵測器，其經組態以接收第一脈衝信號及第二脈衝信號且分別回應於該第一脈衝信號及該第二脈衝信號而產生第一控制信號及第二控制信號。該功率驅動電路亦包括一狀態儲存裝置，其經組態以接收該第一控制信號及該第二控制信號及分別回應於該第一控制信號及該第二控制信號而產生第一驅動器輸入信號及第二驅動器輸入信號，其中該狀態儲存裝置經組態以回應於該第一控制信號而產生該第一驅動器輸入信號，且即使不再接收該第一控制信號亦維持該第一驅動器輸入信號直至接收該第二控制信號，其中該狀態儲存裝置經組態以回應於該第二控制信號而產生該第二驅動器輸入信號，且即使不再接收該第二控制信號亦維持該第二驅動器輸入信號直至接收該第一控制信號。該功率驅動電路亦包括一驅動器，其經組態以接收該第一驅動器輸入信號及該第二驅動器輸入信號，及分別回應於該第一驅動器輸入信號及該第二驅動器輸入信號而產生第一閘極驅動信號及第二閘極驅動信號。該功率驅動電路亦包括一電源開關，其經組態以接收該第一閘極驅動信號及該第二閘極驅動信號，其中該第一閘極驅動信號及該第二閘極驅動信號控制該電源開關，以選擇性地在第一端及第二端之間傳導或不傳導電流。
實施可包括以下特徵中之一或多者。該功率驅動電路，其中該脈衝偵測器經組態以自一變壓器接收該第一脈衝信號及該第二脈衝信號。該功率驅動電路，其中該變壓器之一初級電感器經組態以接收一脈衝寬度調變(PWM)信號，及該變壓器之一次級電感器經組態以回應於該PWM信號而產生該第一脈衝信號及該第二脈衝信號。該功率驅動電路，其中回應於該初級電感器處之一上升邊緣，該次級電感器產生一正脈衝，其致使該電源開關導電。該功率驅動電路，其中該狀態儲存裝置包括一電容器。該功率驅動電路，其中該狀態儲存裝置包括一鎖存器。功率驅動電路進一步包括一過電流保護電路，其經組態以致使該電源開關回應於一過電流狀態而不導電。該功率驅動電路，其中該過電流保護電路經組態以藉由比較基於該第一端及該第二端之間之一電壓差的一電壓與一臨限電壓，感測該過電流狀態。該功率驅動電路，其中該脈衝偵測器、該狀態儲存裝置、該驅動器，及該電源開關被整合在一單一GaN晶粒上。該功率驅動電路，其中一或多個該脈衝偵測器、該狀態儲存裝置、該驅動器及該電源開關被整合在一第一GaN晶粒上，而其餘該脈衝偵測器、該狀態儲存裝置、該驅動器及該電源開關被整合在一第二GaN晶粒上。
一個通用態樣包括一功率電路，其包括：第一功率驅動電路及第二功率驅動電路，其各自經組態以自一脈衝產生器接收複數個脈衝信號，其中該第一功率驅動電路及該第二功率驅動電路中之每一者包括：一變壓器，其經組態以產生第一脈衝信號及第二脈衝信號。該功率電路亦包括一脈衝偵測器，其經組態以接收該第一脈衝信號及該第二脈衝信號，及分別回應於該第一脈衝信號及該第二脈衝信號而產生第一控制信號及第二控制信號。該功率電路亦包括一狀態儲存裝置，其經組態以接收該第一控制信號及該第二控制信號及分別回應於該第一控制信號及該第二控制信號而產生第一驅動器輸入信號及第二驅動器輸入信號，其中該狀態儲存裝置經組態以回應於該第一控制信號而產生該第一驅動器輸入信號，且即使不再接收該第一控制信號亦維持該第一驅動器輸入信號直至接收該第二控制信號，其中該狀態儲存裝置經組態以回應於該第二控制信號而產生該第二驅動器輸入信號，且即使不再接收該第二控制信號亦維持該第二驅動器輸入信號直至接收該第一控制信號。該功率電路亦包括一驅動器，其經組態以接收該第一驅動器輸入信號及該第二驅動器輸入信號，及分別回應於該第一驅動器輸入信號及該第二驅動器輸入信號而產生第一閘極驅動信號及第二閘極驅動信號。該功率電路亦包括一電源開關，其經組態以接收該第一閘極驅動信號及該第二閘極驅動信號，其中該第一閘極驅動信號及該第二閘極驅動信號控制該電源開關，以選擇性地在第一端及第二端之間傳導或不傳導電流。
實施可包括以下特徵中之一或多者。該功率電路，其中各功率驅動電路之該脈衝偵測器經組態以自一變壓器接收該第一脈衝信號及該第二脈衝信號。該功率驅動電路，其中該變壓器之一初級電感器經組態以接收一脈衝寬度調變(PWM)信號，及該變壓器之該次級電感器經組態以回應於該PWM信號而產生該第一脈衝信號及該第二脈衝信號。該功率電路，其中回應於該初級電感器處之一上升邊緣，該次級電感器產生一正脈衝，其致使各功率驅動電路之該電源開關導電。該功率電路，其中各功率驅動電路之該狀態儲存裝置包括一電容器。該功率電路，其中各功率驅動電路之該狀態儲存裝置包括一鎖存器。該功率電路，其中各功率驅動電路進一步包括一過電流保護電路，經組態以致使該電源開關回應於一過電流狀態而不導電。該功率電路，其中各功率驅動電路之該過電流保護電路經組態以藉由比較基於該第一端及該第二端之間之一電壓差的一電壓與一臨限電壓，感測該過電流狀態。該功率電路，其中各功率驅動電路之該脈衝偵測器、該狀態儲存裝置、該驅動器，及該電源開關電路被整合在一單一GaN晶粒上。該功率電路，其中一或多個該脈衝偵測器、該狀態儲存裝置、該驅動器及該電源開關被整合在一第一GaN晶粒上，而其餘該脈衝偵測器、該狀態儲存裝置、該驅動器及該電源開關被整合在一第二GaN晶粒上。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2017年5月25日申請且標題為「具有經整合脈衝偵測電路之GaN場效電晶體(GAN FET WITH INTEGRATED PULSE DETECTION CIRCUIT)」之美國臨時專利申請案第62/511,039號的權益，該美國臨時專利申請案之內容出於所有目的以全文引用之方式併入本文中。
在本文中結合圖式，說明本發明之特定實施例。
本文闡述不同細節，此係因為其係關於某些實施例。然而，本發明亦可以與本文中所描述之方式不同之方式實施。在不脫離本發明的情況下，可由熟習此項技術者作出對論述之實施例的修改。因此，本發明不限於本文所揭示之特定實施例。
圖3係根據實施例之具有整合式閘極驅動電路及諸如GaN功率場效電晶體之電源開關的功率電路300的示意圖。功率電路300自脈衝產生器320接收一脈衝信號，其經組態以回應於來自信號源305之信號而產生脈衝。舉例而言，信號源305可為PWM信號源。功率電路300包括脈衝偵測器330、狀態儲存裝置340、驅動器350，及功率場效電晶體360。在一些實施例中，單個電路併有任何產生器320、脈衝偵測器330、狀態儲存裝置340、驅動器350，及功率場效電晶體360中之兩者或多於兩者。
在一些實施例中，功率場效電晶體360被整合至與該脈衝偵測器330、該狀態儲存裝置340及該驅動器350相同之晶粒上。在一些實施例中，功率場效電晶體360未被整合至與該脈衝偵測器330、該狀態儲存裝置340及該驅動器350相同之晶粒上。在一些實施例中，一或多個脈衝偵測器330、狀態儲存裝置340、驅動器350及功率場效電晶體360被整合至第一GaN晶粒上，而其餘脈衝偵測器330、狀態儲存裝置340、驅動器350及功率場效電晶體360被整合至第二GaN晶粒上。
脈衝產生器320自信號源305接收信號，且基於該所接收信號而產生脈衝。舉例而言，自信號源305所接收之信號可為具有與功率場效電晶體360之所要導通時間工作循環對應的工作循環的PWM信號。脈衝產生器320可經組態以回應於所接收信號而產生脈衝。舉例而言，在一些實施例中，脈衝產生器320回應於自信號源305所接收之信號的各上升邊緣產生一正脈衝，及回應於自信號源305所接收之信號的各下降邊緣產生一負脈衝。在替代實施例中，脈衝產生器320回應於自信號源305所接收之信號的各上升邊緣產生一負脈衝，及回應於自信號源305所接收之信號的各下降邊緣產生一正脈衝。可替代地由脈衝產生器320回應於接收所接收信號而產生對應所接收信號之其他脈衝。
在一些實施例中，脈衝產生器320亦執行位準移位功能。舉例而言，自信號源305之信號可被標記為第一供電電壓，且由脈衝產生器320產生之正脈衝及負脈衝可被標記為第二供電電壓。舉例而言，第二供電電壓可為浮動供電電壓。在此類實施例中，正脈衝可相對於浮動供電電壓為正，且負脈衝可相對於浮動供電電壓為負。
脈衝偵測器330接收由脈衝產生器320產生的該等脈衝，且產生與所接收脈衝對應的一或多個信號。舉例而言，脈衝偵測器330可經組態以回應於由脈衝產生器320產生的正脈衝產生第一類型信號，且回應於由脈衝產生器320產生的負脈衝產生第二類型信號。在一些實施例中，第一類型信號包括標記為第一導體上的第二供電電壓的正脈衝，且第二類型信號包括標記為第二導體上的第二供電電壓的正脈衝。在一些實施例中，使用其他類型之信號。
回應於不自脈衝產生器320接收脈衝，脈衝偵測器330可經組態以產生與第一及第二類型之信號中之任一者不同之中性信號。
狀態儲存裝置340接收由脈衝偵測器330產生的一或多個信號。回應於所接收信號，狀態儲存裝置340產生用於驅動器350之輸入。
舉例而言，狀態儲存裝置340可自脈衝偵測器330接收第一類型信號，且回應於所接收第一類型信號，狀態儲存裝置340可產生用於驅動器350之輸入，其致使驅動器350接通功率場效電晶體360。狀態儲存裝置340可經組態以連續地產生用於驅動器350之輸入，其致使功率場效電晶體360接通，直至狀態儲存裝置340自脈衝偵測器330接收第二類型信號。
因此，回應於自脈衝偵測器330接收第一類型信號，儲存裝置340產生用於驅動器350之輸入，其致使驅動器350接通功率場效電晶體360。在自脈衝偵測器330所接收之第一類型信號的結束處，脈衝偵測器330產生中性信號。回應於中性信號，狀態儲存裝置340繼續產生用於驅動器350之輸入，其致使驅動器352接通功率場效電晶體360。
舉例而言，狀態儲存裝置340可自脈衝偵測器330接收第二類型信號，且回應於所接收第二類型信號，狀態儲存裝置340可產生用於驅動器350之輸入，其致使驅動器350接通功率場效電晶體360。狀態儲存裝置340可經組態以連續地產生用於驅動器350之輸入，其致使功率場效電晶體360斷開，直至狀態儲存裝置340自脈衝偵測器330接收第一類型信號。
因此，回應於自脈衝偵測器330接收第二類型信號，狀態儲存裝置340產生用於驅動器350之輸入，其致使驅動器350斷開功率場效電晶體360。在自脈衝偵測器330所接收之第二類型信號的結束處，脈衝偵測器330產生中性信號。回應於中性信號，狀態儲存裝置340繼續產生用於驅動器350之輸入，其致使驅動器352斷開功率場效電晶體360。
驅動器350經組態以自狀態儲存裝置340接收信號，且根據自狀態儲存裝置340所接收信號，致使功率場效電晶體360導電(接通)或不導電(斷開)。
圖4包括根據另一實施例之具有整合式閘極驅動電路及GaN功率場效電晶體的功率驅動電路400的示意圖。在圖4中，電路400自脈衝產生器420接收一脈衝信號，其經組態以回應於來自信號源405之信號而產生脈衝。舉例而言，信號源405可為PWM信號源。功率電路400包括脈衝檢測器430、狀態儲存裝置440、驅動器450及電源開關，諸如功率場效電晶體460。
在一些實施例中，功率場效電晶體460被整合至與該脈衝檢測器430、該狀態儲存裝置440及該驅動器450相同之晶粒上。在一些實施例中，功率場效電晶體460未被整合至與該脈衝偵測器430、該狀態儲存裝置440及該驅動器450相同之晶粒上。在一些實施例中，一或多個脈衝偵測器430、狀態儲存裝置440、驅動器450及功率場效電晶體460被整合至第一GaN晶粒上，而其餘脈衝偵測器430、狀態儲存裝置440、驅動器450及功率場效電晶體460被整合至第二GaN晶粒上。
脈衝產生器420自信號源405接收信號，且基於該所接收信號而產生脈衝。舉例而言，自信號源405所接收之信號可為具有與功率場效電晶體460之所要導通時間工作循環對應的工作循環的PWM信號。脈衝產生器420可經組態以回應於所接收信號而產生脈衝。在此實施例中，脈衝產生器420之電容器及變壓器經定尺寸使得脈衝產生器420被有效地邊緣觸發，使得PWM信號之各上升或下降邊緣致使脈衝產生器420產生一脈衝。舉例而言，在此實施例中，脈衝產生器420在節點PDET處回應於自信號源405所接收之信號之各上升邊緣產生正脈衝，且在節點PDET處回應於自信號源405所接收之信號之各下降邊緣產生負脈衝。
在此實施例中，脈衝產生器420亦執行位準移位功能。如所指示，自信號源405之信號被標記為第一供電電壓，且由脈衝產生器420產生之正脈衝及負脈衝被標記為第二供電電壓。舉例而言，第二供電電壓可為浮動供電電壓。在此實施例中，正脈衝相對於浮動供電電壓為正，且負脈衝相對於浮動供電電壓為負。
脈衝偵測器430接收由脈衝產生器420產生的該等脈衝，且產生與所接收脈衝對應的一或多個信號。舉例而言，在此實施例中，脈衝檢測器430經組態以回應於由脈衝產生器420產生的正脈衝，產生或轉移正脈衝以用於狀態儲存器鎖存器440之設定輸入S。如圖4中之實施例展示，由脈衝產生器420產生的該等脈衝未經校正，使得脈衝偵測器接收由脈衝產生器420產生的未校正脈衝。
另外，在此實施例中，脈衝檢測器430經組態以回應於由脈衝產生器420產生的負脈衝，產生負脈衝以用於狀態儲存器鎖存器440之重置輸入R。如熟習此項技術者所理解，脈衝檢測器430產生負脈衝以重置狀態儲存器鎖存器440之重置輸入R，此係因為自脈衝產生器420之負脈衝接通電晶體432，其拉低在狀態儲存器鎖存器440之重置輸入R處的電壓，該電壓先前藉由電阻器434固持為高。另外，一旦來自脈衝寄存器420之負脈衝已經過，則電晶體432斷開，且電阻器434再次拉升狀態儲存器鎖存器440之重置輸入R處的電壓。
狀態儲存器鎖存器440自脈衝偵測器430接收一或多個信號。回應於所接收信號，狀態儲存裝置440產生用於驅動器450之輸入。在圖4之實施例中，狀態儲存裝置440係鎖存器。在一些實施例中，狀態儲存裝置440係數位鎖存器。在替代實施例中，狀態儲存裝置440包括一電容器，其條件性地藉由一電路被驅動至對應於場效電晶體460之所要導電性狀態的狀態，該電路經組態以基於自脈衝偵測器430之一或多個信號而產生所要電容器電壓狀態，且經組態以具有選擇性的三態輸出，使得電容器電壓狀態可回應於自脈衝偵測器430之一或多個信號被選擇性地保持。
舉例而言，用於自脈衝偵測器430的狀態儲存器鎖存器440的設定輸入S的正脈衝致使狀態儲存器鎖存器440在其連接到驅動器450的輸入的Q輸出處產生高電壓。另外，用於自脈衝偵測器430的狀態儲存器鎖存器440的重置輸入R的負脈衝致使狀態儲存器鎖存器440在其連接到驅動器450的輸入的Q輸出處產生低電壓。
驅動器450經組態以自狀態儲存裝置440接收信號，且以致使功率場效電晶體460根據自狀態儲存器鎖存器440接收的信號而導電或大體上不導電。
如圖4中所展示，電路400自脈衝產生器420接收單端脈衝信號，且電路400對單端脈衝信號之處理亦為單端的。
另外，由於PWM信號輸入與功率場效電晶體460之間的電路系統係簡單、具有極少級、具有低電容、可能具有數位鎖存器、具有單端操作且無需校正的，因此PWM信號輸入與功率場效電晶體460的閘極之間的傳播延遲低。舉例而言，傳播延遲可小於約10 ns、約7 ns、約5 ns、約4 ns、約3 ns、約2 ns、約1 ns或更低。此允許電路400以對應於最小傳播延遲的頻率操作。
因此，如圖5中所展示，回應於節點PWM處之各上升邊緣，在節點LP處產生上升邊緣。回應於節點LP處之上升邊緣，在節點PDET處產生上升邊緣。另外，回應於節點PDET處之上升邊緣，狀態儲存器鎖存器440的Q輸出上升，且驅動器450致使功率場效電晶體460的閘極電壓上升。因此，回應於節點PWM處之各上升邊緣，功率場效電晶體接通，且變為導電。
另外，如圖5中所展示，回應於節點PWM處之各下降邊緣，在節點LP處產生下降邊緣。回應於節點LP處之下降邊緣，在節點R處產生下降邊緣。另外，回應於節點R處之下降邊緣，狀態儲存器鎖存器440之Q輸出下降，且驅動器450致使功率場效電晶體460之閘極電壓下降。因此，回應於節點PWM處之各下降邊緣，功率場效電晶體斷開，且變為大體上不導電。
圖6包括根據另一實施例之具有整合式閘極驅動電路及GaN功率場效電晶體的功率驅動電路600的示意圖。在圖6中，電路600自脈衝產生器620接收一脈衝信號，其經組態以回應於自信號源605之信號而產生脈衝。舉例而言，信號源605可為PWM信號源。功率電路600包括脈衝檢測器630、狀態儲存裝置640、驅動器650及電源開關，諸如功率場效電晶體660。
在一些實施例中，功率場效電晶體660被整合至與該脈衝偵測器630、該狀態儲存裝置640及該驅動器650相同之晶粒上。在一些實施例中，功率場效電晶體660未被整合至與該脈衝偵測器630、該狀態儲存裝置640及該驅動器650相同之晶粒上。在一些實施例中，一或多個脈衝偵測器630、狀態儲存裝置640、驅動器650及功率場效電晶體660被整合至第一GaN晶粒上，而其餘脈衝偵測器630、狀態儲存裝置640、驅動器650及功率場效電晶體660被整合至第二GaN晶粒上。
脈衝產生器620自信號源605接收信號，且基於該所接收信號而產生脈衝。舉例而言，自信號源605所接收之信號可為具有與功率場效電晶體660之所要導通時間工作循環對應的工作循環的PWM信號。脈衝產生器620可經組態以回應於所接收信號而產生脈衝。在此實施例中，脈衝產生器620之電容器及變壓器經定尺寸使得脈衝產生器620被有效地邊緣觸發，使得PWM信號之各上升或下降邊緣致使脈衝產生器620產生一脈衝。舉例而言，在此實施例中，脈衝產生器620在節點R處回應於自信號源605接收之信號之各上升邊緣產生正脈衝，且在節點PDET處回應於自信號源605接收之信號之各下降邊緣產生負脈衝。
在此實施例中，脈衝產生器620亦執行位準移位功能。如所指示，自信號源605之信號被標記為第一供電電壓，且由脈衝產生器620產生之正脈衝及負脈衝被標記為第二供電電壓。舉例而言，第二供電電壓可為浮動供電電壓。在此實施例中，正脈衝相對於浮動供電電壓為正，且負脈衝相對於浮動供電電壓為負。
脈衝偵測器630接收由脈衝產生器620產生的該等脈衝，且產生與所接收脈衝對應的一或多個信號。舉例而言，在此實施例中，脈衝偵測器630經組態以回應於由脈衝產生器620產生的正脈衝，產生或轉移正脈衝以用於狀態儲存器鎖存器640之重置輸入R。如圖6中之實施例展示，由脈衝產生器620產生的該等脈衝未經校正，使得脈衝偵測器接收由脈衝產生器620產生的未校正脈衝。
另外，在此實施例中，脈衝檢測器630經組態以回應於由脈衝產生器620產生的負脈衝，產生負脈衝以用於狀態儲存器鎖存器640之設定輸入S。如熟習此項技術者所理解，脈衝檢測器630產生負脈衝以重置狀態儲存器鎖存器640之設定輸入S，此係因為自脈衝產生器620之負脈衝接通電晶體632，其拉低在狀態儲存器鎖存器640之設定輸入S處的電壓，該電壓先前藉由電阻器634固持為高。另外，一旦自脈衝寄存器620之負脈衝以經過，則電晶體632斷開，且電阻器634再次拉升狀態儲存器鎖存器640之設定輸入S處的電壓。
狀態儲存器鎖存器640自脈衝偵測器630接收一或多個信號。回應於所接收信號，狀態儲存裝置640產生用於驅動器650之輸入。在圖6之實施例中，狀態儲存裝置640係鎖存器。在一些實施例中，狀態儲存裝置640係數位鎖存器。在替代實施例中，狀態儲存裝置640包括一電容器，其條件性地藉由一電路被驅動至對應於場效電晶體660之所要導電性狀態的狀態，該電路經組態以基於自脈衝偵測器630之一或多個信號而產生所要電容器電壓狀態，且經組態以具有選擇性的三態輸出，使得電容器電壓狀態可回應於自脈衝偵測器630之一或多個信號被選擇性地保持。
舉例而言，用於自脈衝偵測器630的狀態儲存器鎖存器640的設定輸入S的負脈衝致使狀態儲存器鎖存器640在其連接到驅動器650的輸入的Q輸出處產生高電壓。另外，用於自脈衝偵測器630的狀態儲存器鎖存器640的重置輸入R的正脈衝致使狀態儲存器鎖存器640在其連接到驅動器650的輸入的Q輸出處產生低電壓。
驅動器650經組態以自狀態儲存裝置640接收信號，且以致使功率場效電晶體660根據自狀態儲存器鎖存器640接收的信號而導電或不導電。
另外，由於PWM信號輸入與功率場效電晶體660之間的電路系統係簡單、具有極少級、具有低電容、可能具有數位鎖存器、具有單端操作且無需校正的，因此PWM信號輸入與功率場效電晶體460的閘極之間的傳播延遲低。舉例而言，傳播延遲可小於約10 ns、約7 ns、約5 ns、約4 ns、約3 ns、約2 ns、約1 ns或更低。此允許電路600以對應於最小傳播延遲的頻率操作。
因此，如圖7中所展示，回應於節點PWM處之各上升邊緣，在節點LP處產生上升邊緣。回應於節點LP處之上升邊緣，在節點PDET處產生下降邊緣。另外，回應於節點PDET處的下降邊緣，在節點S處產生下降邊緣。回應於節點S處之下降邊緣，狀態儲存器鎖存器640的Q輸出上升，且驅動器650致使功率場效電晶體660的閘極電壓上升。因此，回應於節點PWM處之各上升邊緣，功率場效電晶體接通，且變為導電。
如圖7中所展示，電路600自脈衝產生器620接收單端脈衝信號，且電路600對單端脈衝信號之處理亦為單端的。
另外，如圖7中所展示，回應於節點PWM處之各下降邊緣，在節點LP處產生下降邊緣。回應於節點LP處之下降邊緣，在節點PDET處產生上升邊緣。另外，回應於節點PDET處之上升邊緣，狀態儲存器鎖存器640的Q輸出下降，且驅動器650致使功率場效電晶體660的閘極電壓下降。因此，回應於節點PWM處之各下降邊緣，功率場效電晶體斷開，且變為大體上不導電。
圖8係說明具有過電流保護電路870的功率驅動電路800的一部分的示意圖。功率驅動電路800包括狀態儲存裝置840、驅動器850及功率場效電晶體860，其各具有類似於或等同於本文中在別處論述之狀態儲存裝置、驅動器及功率場效電晶體的特徵，且可在如上文參考圖4及6所論述之功率驅動電路中使用。
過電流保護電路870包括二極體872、電阻器874、比較器876，及AND閘極878。
二極體872及電阻器874基於節點VCC及D處之電壓，協作地產生用於比較器876之電壓。比較器876基於由二極體872及電阻器874協作地產生的電壓，及基於節點VTH處的臨限電壓，產生用於AND閘極878的電壓。AND閘極878基於由比較器876產生的電壓及節點GATE處的電壓，條件性地重置狀態儲存器鎖存器840。
若場效電晶體860之閘極節點GATE處之電壓高，致使場效電晶體860導電，且場效電晶體860之汲極節點D處之電壓大於臨限值，且過電流狀態存在。則回應於場效電晶體860之汲極節點D處之電壓大於臨限值，比較器876之正輸入處的電壓超出比較器876的負輸入處的電壓。因此，由比較器876產生的用於AND閘極878的電壓高。回應於場效電晶體860的閘極節點GATE處的電壓進一步為高，AND閘極878之輸出被驅動為高，且狀態儲存器鎖存器840被重置，致使場效電晶體860的閘極節點GATE處的電壓為低，導致場效電晶體860被斷開。
由於場效電晶體860的閘極節點GATE處之電壓為低，因此及閘極878之輸出返回至低狀態，使得狀態儲存器鎖存器840可隨後藉由圖8中未展示之功率驅動電路800的其他電路系統設定。因此，過電流保護被逐個循環地提供，使得若過電流保護狀態出現，則場效電晶體860被斷開以停止過電流保護狀態，且根據如例如參考圖4及圖6所描述之電路系統功能，場效電晶體860可隨後在下一板處針對下一循環接通。
使用此過電流保護電路系統，提供快速檢測，且移除對外部電流感應電阻器及對外部偵測電路之需求。進一步，在半橋接應用中，所揭示之過電流保護電路提供針對擊穿故障狀態之保護。
在一些實施例中，未使用AND閘極878，且狀態儲存器鎖存器840回應於來自比較器876之信號被重置。
圖9係說明使用高壓側功率驅動電路910及低壓側功率驅動電路920之半橋接電路900的示意圖。
高壓側功率驅動電路910及低壓側功率驅動電路920可例如具有類似於或等同於本文中論述的功率驅動電路300、400及600的態樣。另外，在一些實施例中，高壓側功率驅動電路910及低壓側功率驅動電路920具有類似於或等同於本文中論述的功率驅動電路800之態樣。
如圖9中所指示，高壓側功率驅動電路910在其PDET輸入處接收由變壓器915回應於輸入PWM2處的PWM信號而產生的輸入脈衝。同樣，低壓側功率驅動電路920在其PDET輸入處接收由變壓器925回應於輸入PWM1處的PWM信號而產生的輸入脈衝。輸入PWM1及PWM2處之PWM信號相對於彼此倒置，且在一些實施例中非重疊。
在一些實施例中，高壓側功率驅動電路910及低壓側功率驅動電路920被各自整合於單個封裝內。在一些實施例中，高壓側功率驅動電路910及低壓側功率驅動電路920兩者均整合於單個封裝內。在一些實施例中，高壓側功率驅動電路910及低壓側功率驅動電路920被各自整合至封裝內之諸如GaN晶粒的單個晶粒上。在一些實施例中，高壓側功率驅動電路910及低壓側功率驅動電路920兩者均被整合至封裝內之諸如GaN晶粒的單個晶粒上。
在一些實施例中，低壓側功率驅動電路910在其PDET輸入處自並不包括變壓器的PWM信號源接收輸入脈衝。
儘管借助於如上文所述之特定實施例揭示本發明，但彼等實施例並不意欲限制本發明。基於上文揭示之方法及技術態樣，熟習此項技術者可對呈現之實施例作出變化及改變而不背離本發明之精神及範疇。
300 功率驅動電路
305 信號源
320 脈衝產生器
330 脈衝偵測器
340 狀態儲存裝置
350 驅動器
360 功率場效電晶體
400 功率驅動電路
405 信號源
420 脈衝產生器
430 脈衝偵測器
432 電晶體
434 電阻器
440 狀態儲存器鎖存器
450 驅動器
460 功率場效電晶體
600 功率驅動電路
605 信號源
620 脈衝產生器
630 脈衝偵測器
632 電晶體
634 電阻器
640 狀態儲存器鎖存器
650 驅動器
660 功率場效電晶體
800 功率驅動電路
840 狀態儲存器鎖存器/級儲存器鎖存器/狀態儲存裝置
850 驅動器
860 場效電晶體
870 過電流保護電路
872 二極體
874 電阻器
876 比較器
878 AND閘極
900 半橋接電路
910 高壓側功率驅動電路
915 變壓器
920 低壓側功率驅動電路
925 變壓器
D 汲極節點
S 設定輸入/節點
DZ 齊納參考引腳
dV/dt 轉換速率
LP 節點
PDET 節點/輸入
Q 輸出
R 重置輸入
t 時間
PWM 節點
PWM1 輸入
PWM2 輸入
VCC 節點
VTH 節點
GATE 閘極節點
305 信號源
320 脈衝產生器
330 脈衝偵測器
340 狀態儲存裝置
350 驅動器
360 功率場效電晶體
400 功率驅動電路
405 信號源
420 脈衝產生器
430 脈衝偵測器
432 電晶體
434 電阻器
440 狀態儲存器鎖存器
450 驅動器
460 功率場效電晶體
600 功率驅動電路
605 信號源
620 脈衝產生器
630 脈衝偵測器
632 電晶體
634 電阻器
640 狀態儲存器鎖存器
650 驅動器
660 功率場效電晶體
800 功率驅動電路
840 狀態儲存器鎖存器/級儲存器鎖存器/狀態儲存裝置
850 驅動器
860 場效電晶體
870 過電流保護電路
872 二極體
874 電阻器
876 比較器
878 AND閘極
900 半橋接電路
910 高壓側功率驅動電路
915 變壓器
920 低壓側功率驅動電路
925 變壓器
D 汲極節點
S 設定輸入/節點
DZ 齊納參考引腳
dV/dt 轉換速率
LP 節點
PDET 節點/輸入
Q 輸出
R 重置輸入
t 時間
PWM 節點
PWM1 輸入
PWM2 輸入
VCC 節點
VTH 節點
GATE 閘極節點
圖1為先前技術電力控制電路之示意圖。
圖2係先前技術電力控制電路的示意圖。
圖3係根據實施例之具有整合式閘極驅動電路及GaN功率場效電晶體的功率驅動電路的示意圖。
圖4係根據另一實施例之具有整合式閘極驅動電路及GaN功率場效電晶體的功率驅動電路的示意圖。
圖5係說明圖4之實施例的操作的波形圖。
圖6係根據另一實施例之具有整合式閘極驅動電路及GaN功率場效電晶體的功率驅動電路的示意圖。
圖7係說明圖6之實施例的操作的波形圖。
圖8係說明具有過電流保護電路的功率驅動電路的一部分的示意圖。
圖9係說明使用高壓側及低壓側功率驅動電路的半橋接電路的示意圖。
Claims (18)
- 一種功率驅動電路，其包含：
一變壓器，其經組態以產生第一脈衝信號及第二脈衝信號；
一脈衝偵測器，其經組態以接收該第一脈衝信號及該第二脈衝信號，及分別回應於該第一脈衝信號及該第二脈衝信號而產生第一控制信號及第二控制信號；
一狀態儲存裝置，其經組態以接收該第一控制信號及該第二控制信號及分別回應於該第一控制信號及該第二控制信號而產生第一驅動器輸入信號及第二驅動器輸入信號，其中該狀態儲存裝置經組態以回應於該第一控制信號而產生該第一驅動器輸入信號，且即使不再接收該第一控制信號亦維持該第一驅動器輸入信號直至接收該第二控制信號，其中該狀態儲存裝置經組態以回應於該第二控制信號而產生該第二驅動器輸入信號，且即使不再接收該第二控制信號亦維持該第二驅動器輸入信號直至接收該第一控制信號；
一驅動器，其經組態以接收該第一驅動器輸入信號及該第二驅動器輸入信號，及分別回應於該第一驅動器輸入信號及該第二驅動器輸入信號而產生第一閘極驅動信號及第二閘極驅動信號；及
一電源開關，其經組態以接收該第一閘極驅動信號及該第二閘極驅動信號，其中該第一閘極驅動信號及該第二閘極驅動信號控制該電源開關以選擇性地在第一端及第二端之間傳導或不傳導電流，其中該第一閘極驅動信號致使該電源開關導電，且該第二閘極驅動信號致使該電源開關不導電，
其中該第一控制信號具有一低邏輯狀態，其致使該狀態儲存裝置產生該第一驅動器輸入信號。 - 如請求項1之功率驅動電路，其中該變壓器經組態以分別回應於施加至該變壓器之初級側之一變壓器輸入信號之上升邊緣及下降邊緣而產生第一脈衝及第二脈衝。
- 如請求項1之功率驅動電路，其中該變壓器之一初級電感器經組態以接收一脈衝寬度調變(PWM)信號，且該變壓器之一次級電感器經組態以回應於該PWM信號而產生該第一脈衝信號及該第二脈衝信號。
- 如請求項3之功率驅動電路，其中回應於該初級電感器處之一上升邊緣，該次級電感器產生一負脈衝，其致使該電源開關導電。
- 如請求項1之功率驅動電路，其中該狀態儲存裝置包含一電容器。
- 如請求項1之功率驅動電路，其中該狀態儲存裝置包含一鎖存器。
- 如請求項1之功率驅動電路，其進一步包含一過電流保護電路，其經組態以致使該電源開關回應於一過電流狀態而不導電。
- 如請求項7之功率驅動電路，其中該過電流保護電路經組態以藉由比較基於該第一端及該第二端之間之一電壓差的一電壓與一臨限電壓，感測該過電流狀態。
- 如請求項1之功率驅動電路，其中該脈衝偵測器、該狀態儲存裝置、該驅動器，及該電源開關被整合在一單個GaN晶粒上。
- 一種功率電路，其包含：
第一功率驅動電路及第二功率驅動電路，其各自經組態以自一脈衝產生器接收複數個脈衝信號，其中該第一功率驅動電路及該第二功率驅動電路中之每一者包含：
一變壓器，其經組態以產生第一脈衝信號及第二脈衝信號；
一脈衝偵測器，其經組態以接收該第一脈衝信號及該第二脈衝信號，及分別回應於該第一脈衝信號及該第二脈衝信號而產生第一控制信號及第二控制信號，
一狀態儲存裝置，其經組態以接收該第一控制信號及該第二控制信號及分別回應於該第一控制信號及該第二控制信號而產生第一驅動器輸入信號及第二驅動器輸入信號，其中該狀態儲存裝置經組態以回應於該第一控制信號而產生該第一驅動器輸入信號，且即使不再接收該第一控制信號亦維持該第一驅動器輸入信號直至接收該第二控制信號，其中該狀態儲存裝置經組態以回應於該第二控制信號而產生該第二驅動器輸入信號，且即使不再接收該第二控制信號亦維持該第二驅動器輸入信號直至接收該第一控制信號,
一驅動器，其經組態以接收該第一驅動器輸入信號及該第二驅動器輸入信號，及分別回應於該第一驅動器輸入信號及該第二驅動器輸入信號而產生第一閘極驅動信號及第二閘極驅動信號，及
一電源開關，其經組態以接收該第一閘極驅動信號及該第二閘極驅動信號，其中該第一閘極驅動信號及該第二閘極驅動信號控制該電源開關以選擇性地在第一端及第二端之間傳導或不傳導電流，其中該第一閘極驅動信號致使該電源開關導電，且該第二閘極驅動信號致使該電源開關不導電，
其中該第一控制信號具有一低邏輯狀態，其致使該狀態儲存裝置產生該第一驅動器輸入信號。 - 如請求項10之功率電路，其中該變壓器經組態以分別回應於施加至該變壓器之該初級側之一變壓器輸入信號之上升邊緣及下降邊緣而產生該第一脈衝及該第二脈衝。
- 如請求項10之功率電路，其中該變壓器之一初級電感器經組態以接收一脈衝寬度調變(PWM)信號，及該變壓器之次級電感器經組態以回應於該PWM信號而產生該第一脈衝信號及該第二脈衝信號。
- 如請求項12之功率電路，其中回應於該初級電感器處之一上升邊緣，該次級電感器產生一負脈衝，其致使各功率驅動電路之該電源開關導電。
- 如請求項10之功率電路，其中各功率驅動電路之該狀態儲存裝置包含一電容器。
- 如請求項10之功率電路，其中各功率驅動電路之該狀態儲存裝置包含一鎖存器。
- 如請求項10之功率電路，其中各功率驅動電路進一步包含一過電流保護電路，其經組態以致使該電源開關回應於一過電流狀態而不導電。
- 如請求項16之功率電路，其中各功率驅動電路之該過電流保護電路經組態以藉由比較基於該第一端及該第二端之間之一電壓差的一電壓與一臨限電壓，感測該過電流狀態。
- 如請求項10之功率電路，其中各功率驅動電路之該脈衝偵測器、該狀態儲存裝置、該驅動器及該電源開關電路被整合在一單一GaN晶粒上。
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