TWI752793B - 部分脈衝電位可調之閘極驅動電路及裝置 - Google Patents

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Abstract

一種部分脈衝電位可調之閘極驅動電路，適用於接收一第一驅動信號及一第二驅動信號，並輸出一相應的閘極驅動信號，包含一低電位端、一第一驅動模組、一第二驅動模組、一驅動輸出端及一單向模組。該第一驅動模組與該第二驅動模組各自包括一輸入端、並聯於該輸入端與該驅動輸出端間的一輸入電容與一輸入電阻，及串聯於該驅動輸出端與該低電位端間的一第一二極體與一可調電源。該單向模組用以供該第二驅動模組輸出之正向訊號單向通過至該驅動輸出端。藉此，可以僅動態調整該閘極驅動信號中之部分信號，而可適用於第三代半導體材料之元件測試。

Description

部分脈衝電位可調之閘極驅動電路及裝置
本發明是有關於一種驅動電路及裝置，特別是指一種應用於元件特性測試的部分脈衝電位可調之閘極驅動電路及裝置。
第三代半導體材料是基於寬帶隙複合材料(Wide Bandgap compound material)，以碳化矽(SiC)以及氮化鎵(GaN)為代表，由於其卓越的材料性能、高載子遷移率(carrier mobility)和高帶隙(band-gap)，例如，GaN元件的FOM比Si元件高5到10倍，這使它們具有在高電壓和高功率應用中替代Si元件的巨大潛力，而可應用在更高階的高壓功率元件以及高頻通訊元件領域。
儘管GaN元件已經通過了基於Si元件的JEDEC可靠性標準，但仍需要花費時間來建立系統現場測試的信心，並證明GaN元件在應用中的穩固性。由於第三代半導體材料之元件從靜態(Static condition)到動態(Dynamic conditions)的表現不同，目前，關於GaN元件之系統級可靠性(system-level reliability)的各種測試設備及方法，仍是業界主要發展目標。
因此，本發明之目的，即在提供一種可供第三代半導體材料之元件作為通用測試裝置的部分脈衝電位可調之閘極驅動電路。
於是，本發明部分脈衝電位可調之閘極驅動電路，適用於接收一第一驅動信號及一第二驅動信號，並輸出一相應的閘極驅動信號，包含一低電位端、一第一驅動模組、一第二驅動模組、一第一驅動輸入端、一第二驅動輸入端、一驅動輸出端，及一單向模組。
該第一驅動模組與該第二驅動模組，各自包括一輸入端、一輸出端、一輸入電容、一輸入電阻、一第一二極體，及一可調電源。該輸入電容與該輸入電阻兩者並聯，且其中一端電連接該輸入端，另一端電連接該輸出端。該第一二極體及該可調電源兩者串聯於該輸出端及該低電位端間。
該第一驅動輸入端及該第二驅動輸入端，分別用以接收該第一驅動信號與該第二驅動信號，且分別電連接該第一驅動模組之該輸入端與該第二驅動模組之該輸入端。
該驅動輸出端電連接該第一驅動模組的該輸出端與該第二驅動模組的該輸出端，並用以輸出該閘極驅動信號。
該單向模組電連接於該第二驅動模組之該輸出端與該驅動輸出端間，用以供該第二驅動模組輸出之正向訊號單向通過。
因此，本發明之目的，即在提供一種可供第三代半導體材料之元件作為通用測試裝置的部分脈衝電位可調之閘極驅動裝置。
於是，本發明部分脈衝電位可調之閘極驅動裝置，適用於接收一第一控制信號及一第二控制信號，並對應該第一控制信號與該二控制信號驅動一待測件之閘極，包含一高電位端、一低電位端、一第一控制輸入端、一第二控制輸入端、一閘極驅動端、一第一驅動器、一第二驅動器，及一如上述的閘極驅動電路。
該第一控制輸入端及該第二控制輸入端分別用以接收該第一控制信號與該第二控制信號。
該閘極驅動端適用於輸出一對應該第一控制信號與該二控制信號的閘極驅動信號至該待測件之閘極。
該第一驅動器電連接該高電位端、該低電位端與該第一控制輸入端，由該第一控制輸入端接收該第一控制信號並輸出一相應的第一驅動信號。
該第二驅動器電連接該高電位端、該低電位端與該第二控制輸入端，由該第二控制輸入端接收該第二控制信號並輸出一相應的第二驅動信號。
該閘極驅動電路之該第一驅動輸入端與該第二驅動輸入端分別電連接該第一驅動器與該第二驅動器，該閘極驅動電路之該驅動輸出端與該低電位端分別電連接該閘極驅動端與上述之該低電位端。
本發明之功效在於：藉由上述電路設置，可以僅動態調整該閘極驅動信號中之部分信號(例如，僅動態調整該第一控制信號之對應部分，或僅動態調整該第二控制信號之對應部分)，如此，可適用於供第三代半導體材料之元件作為通用測試裝置。
參閱圖1與圖2，本發明部分脈衝電位可調之閘極驅動裝置之一實施例，適用於接收由一控制電路(圖未示)輸出的一第一控制信號Vin1及一第二控制信號Vin2，並輸出一對應該第一控制信號Vin1與該第二控制信號Vin2的閘極驅動信號Vgs至一待測件91之閘極以控制驅動該待測件91。該待測件91是電連接於一待測電源端92與一低電位端22間，該待測電源端92提供一待測電壓Vds。其中，本發明適用於應用於測試第三代半導體材料之功率元件，或應用於其他需要動態調整部分脈衝電位的測試作業。
其中，該第一控制信號Vin1為部分脈波經屏蔽的主要脈波(pulse)信號，該第二控制信號Vin2則是將該第一控制信號Vin1之脈波屏蔽的部分脈波信號，即，該第一控制信號Vin1與該第二控制信號Vin2可組合為完整連續的脈波信號。例如，當應用於正常開關操作(normal switching operation)下提取動態閾值電壓(dynamic threshold voltage，縮寫為dynamic Vth)的測試時，該第一控制信號Vin1較佳是配合使用屏蔽1%(或更低之比例)之脈波的脈波信號，而該第二控制信號Vin2則搭配為補償該1%之脈波的脈波信號(即，屏蔽其餘99%之脈波的脈波信號)，如此，以使測試狀態接近實際使用的狀況。
該閘極驅動裝置之該實施例包含一高電位端21、一低電位端22、一第一控制輸入端23、一第二控制輸入端24、一驅動輸出端25、一第一驅動器31、一第二驅動器32，及一閘極驅動電路4。
該高電位端21提供一高電壓Vcc，該低電位端22提供一低電壓Vss，於本實施例中，該低電壓Vss以接地電壓(Gnd，0V)說明。
該第一控制輸入端23及該第二控制輸入端24分別用以接收該第一控制信號Vin1與該第二控制信號Vin2。
該驅動輸出端25適用於輸出對應該第一控制信號Vin1與該第二控制信號Vin2的該閘極驅動信號Vgs至該待測件91之閘極(gate)。
該第一驅動器31電連接該高電位端21、該低電位端22與該第一控制輸入端23，由該第一控制輸入端23接收該第一控制信號Vin1並輸出一相應的第一驅動信號Vout1。該第二驅動器32電連接該高電位端21、該低電位端22與該第二控制輸入端24，由該第二控制輸入端24接收該第二控制信號Vin2並輸出一相應的第二驅動信號Vout2。該第一驅動器31與該第二驅動器32可使用閘極驅動器(gate driver)實施，用以分別將該第一控制信號Vin1與該第二控制信號Vin2的驅動能力放大，以輸出為相位分別對應於該第一控制信號Vin1與該第二控制信號Vin2的該第一驅動信號Vout1與該第二驅動信號Vout2。
該閘極驅動電路4適用於接收該第一驅動信號Vout1及該第二驅動信號Vout2，並輸出相對應的該閘極驅動信號Vgs，並包括一低電位端41、一驅動輸出端42、一第一驅動輸入端43、一第二驅動輸入端44、一第一驅動模組5、一第二驅動模組6，及一單向模組7。
該低電位端41電連接於上述之該低電位端22，同樣是以接地電壓(Gnd，0V)說明。該驅動輸出端42電連接於該閘極驅動端25，用以輸出該閘極驅動信號Vgs。
該第一驅動輸入端43與該第二驅動輸入端44分別電連接該第一驅動器31與該第二驅動器32，並分別用以接收該第一驅動信號Vout1與該第二驅動信號Vout2。
該第一驅動模組5具有一輸入端51、一輸出端52、一輸入電容53、一輸入電阻54、一第一二極體55、一可調電源56及一第二二極體57。
該輸入端51電連接該第一驅動輸入端43，用以接收該第一驅動信號Vout1。該輸出端52電連接該驅動輸出端42。
該輸入電容53與該輸入電阻54並聯，其中一端電連接該輸入端51以接收該第一驅動信號Vout1，另一端電連接該輸出端52。其中，該輸入電容53用以提供暫態(transient)信號路徑，該輸入電阻54用以提供靜態(static)信號路徑。
該第一二極體55及該可調電源56串聯於該輸出端52及該低電位端22間，且該第一二極體55之陽極端電連接該輸出端52。該第一二極體55較佳是使用蕭特基二極體(Schottky diode)實施，以獲得較快的切換速度及較低的導通電壓。
該可調電源56之正端電連接該第一二極體55之陰極端，該可調電源56之負端電連接該低電位端22。該可調電源56可使用一電源供應器(power supply)實施，用以提供一可調整電壓值的第一可調電壓Vset1。
該第二二極體57之陽極端電連接該低電位端22，其陰極端電連接該輸出端52，該第二二極體57之作用在於將該驅動輸出端42之低電位電壓限制於接近該低電壓Vss。該第二二極體57同樣較佳是使用蕭特基二極體實施，以獲得較快的切換速度及較低的導通電壓。
該第一驅動模組5較佳是還包括一限流電阻58及一穩壓電容59。
該限流電阻58兩端分別電連接於該可調電源56之正端與該低電位端22，用以提供該第一二極體55與該可調電源56之電流的分流路徑，其電阻值大小會限制該第一二極體55可流經的最大電流。
該穩壓電容59兩端分別電連接於該可調電源56之正端與該低電位端22，用以提供穩壓效果。
該第二驅動模組6具有一輸入端61、一輸出端62、一輸入電容63、一輸入電阻64、一第一二極體65，及一可調電源66。
該輸入端61電連接該第二驅動輸入端44，用以接收該第二驅動信號Vout2。該輸出端62經該單向模組7電連接該驅動輸出端42。
該輸入電容63與該輸入電阻64並聯，其中一端電連接該輸入端61以接收該第二驅動信號Vout2，另一端電連接該輸出端62。其中，該輸入電容63用以提供暫態(transient)信號路徑，該輸入電阻64用以提供靜態(static)信號路徑。
該第一二極體65及該可調電源66串聯於該輸出端62及該低電位端22間，且該第一二極體65之陽極端電連接該輸出端62。該第一二極體65較佳是使用蕭特基二極體實施，以獲得較快的切換速度及較低的導通電壓。
該可調電源66之正端電連接該第一二極體65之陰極端，該可調電源66之負端電連接該低電位端22。該可調電源66可使用一電源供應器實施，用以提供一可調整電壓值的第二可調電壓Vset2。
該第二驅動模組6較佳是還包括一限流電阻67及一穩壓電容68。
該限流電阻67兩端分別電連接於該可調電源66之正端與該低電位端22，用以提供該第一二極體65與該可調電源66之電流的分流路徑，其電阻值大小會限制該第一二極體65可流經的最大電流。
該穩壓電容68兩端分別電連接於該可調電源66之正端與該低電位端22，用以提供穩壓效果。
該單向模組7電連接於該第二驅動模組6之該輸出端62與該驅動輸出端42間，用以供該第二驅動模組6輸出之正向訊號單向通過。
該單向模組7包括一單向二極體71、一並聯該單向二極體71的單向電容72、一串聯該單向二極體71的調整電阻73，及一兩端分別電連接該單向二極體71之陽極端與該調整電阻73遠離該單向二極體71之一端的單向電阻74。該單向二極體71之陽極端電連接該第二驅動模組6之該輸出端62，該單向二極體71之陰極端電連接該驅動輸出端42。該單向二極體71較佳是使用蕭特基二極體實施，以獲得較快的切換速度及較低的導通電壓。
該實施例較佳是還包括一調速電阻8。該調速電阻8兩端分別電連接於該閘極驅動端25與該待測件91之閘極，其電阻值之大小用以調整該待測件91的切換(switching)速度，即，用以調整該待測件91的壓擺率(slew rate)。
於實際應用時，將相互配合的該第一控制信號Vin1與該第二控制信號Vin2分別輸入該第一驅動器31與該第二驅動器32，並經該第一驅動器31與該第二驅動器32分別輸出為相位對應於該第一控制信號Vin1與該第二控制信號Vin2的該第一驅動信號Vout1與該第二驅動信號Vout2，該第一驅動信號Vout1與該第二驅動信號Vout2的最高電壓是固定趨近於該高電位端21之電壓Vcc，而最低電壓是固定趨近於該低電位端22之電壓Vss。其中，電壓值之大小排序為Vcc＞Vset1＞Vset2＞Vss，該待測電壓Vds之值則是相關於該待測件91之參數，與上述排序不相關。
接著，該第一驅動信號Vout1經該第一驅動模組5傳遞至該閘極驅動端25，並與經該第二驅動模組6傳遞至該閘極驅動端25的該第二驅動信號Vout2組合而成該閘極驅動信號Vgs。
當該第一驅動信號Vout1為高電位，該第二驅動信號Vout2為低電位時，此時於該第一驅動模組5中，該第一二極體55導通，該閘極驅動信號Vgs之電壓為該可調電源56所提供的該第一可調電壓Vset1加上該第一二極體55的導通電壓，以蕭特基二極體為例，其導通電壓約為0.3V左右，因此，其電壓為Vset1+0.3V。此時流經該第一二極體55之電流與該可調電源56所提供之電流皆會經由該限流電阻58流至該低電位端22。同時，在該第二驅動模組6中，由於該第二驅動信號Vout2為低電位，該第一二極體65不導通，該輸出端62之電壓會低於該閘極驅動端25之電壓值(Vset1+0.3V)，因此不會通過該單向模組7而影響該閘極驅動信號Vgs之電壓。並且，此時該閘極驅動端25之高電壓(Vset1+0.3V)也會受該單向模組7阻擋，而不會傳入該第二驅動模組6。
當該第二驅動信號Vout2為高電位，該第一驅動信號Vout1為低電位時，此時該第二驅動模組6中，該第一二極體65導通，該輸出端62之電壓為該可調電源66所提供的該第二可調電壓Vset2加上該第一二極體65的導通電壓，以蕭特基二極體為例，其導通電壓約為0.3V左右，因此，其電壓為Vset2+0.3V，接著，此電壓通過該單向模組7傳遞至該閘極驅動端25，故須再扣掉該單向二極體71的導通電壓，同樣以蕭特基二極體為例，該閘極驅動信號Vgs之電壓即為Vset2+0.3V-0.3V= Vset2。此時流經該第一二極體65之電流與該可調電源66所提供之電流皆會經由該限流電阻67流至該低電位端22。同時，在該第一驅動模組5中，由於該閘極驅動信號Vgs之電壓Vset2低於Vset1+0.3V且大於該低電壓Vss，因此，該第一二極體55不導通，該第二二極體57不導通，故不會影響該閘極驅動信號Vgs之電壓。
當該第一驅動信號Vout1與該第二驅動信號Vout2皆為低電位時，此時於該第一驅動模組5中，該第一二極體55不導通，該第二二極體57導通，該閘極驅動信號Vgs之電壓會受該第二二極體57箝制而為該低電壓Vss減去該第二二極體57的導通電壓，以蕭特基二極體為例，其電壓約為Vss-0.3V。此時，於該第二驅動模組6中，該第一二極體65不導通，該輸出端62之電壓會接近該低電壓Vss，減去該單向二極體71之跨壓(0.3V)，傳遞至該驅動輸出端25時亦為Vss-0.3V。
藉此，可以將該第一控制信號Vin1與該第二控制信號Vin2的脈波進行類似於或閘(OR gate)的整合，並且，可以藉由分別調整該第一可調電壓Vset1與該第二可調電壓Vset2的大小，以分別動態調整該閘極驅動信號Vgs中，該第一控制信號Vin1與該第二控制信號Vin2所對應的脈波之峰值，以供驅動該待測件91切換導通狀態而進行動態表現測試。
藉此，在測試應用時，可以例如僅動態調整該第二控制信號Vin2所對應的脈波之峰值，即，可以僅調整該閘極驅動信號Vgs中僅1%(或更低之比率)的脈波之電壓值，如此，可提供第三代半導體材料之元件於實際系統(real system)或特性測試電路(characterization test circuit)中進行部分脈衝電位之調整。
綜上所述，本發明部分脈衝電位可調之閘極驅動裝置，確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
21:高電位端 22:低電位端 23:第一控制輸入端 24:第二控制輸入端 25:閘極驅動端 31:第一驅動器 32:第二驅動器 4:閘極驅動電路 41:低電位端 42: 驅動輸出端 43:第一驅動輸入端 44:第二驅動輸入端 5:第一驅動模組 51:輸入端 52:輸出端 53:輸入電容 54:輸入電阻 55:第一二極體 56:可調電源 57:第二二極體 58:限流電阻 59:穩壓電容 6:第二驅動模組 61:輸入端 62:輸出端 63:輸入電容 64:輸入電阻 65:第一二極體 66:可調電源 67:限流電阻 68:穩壓電容 7:單向模組 71:單向二極體 72:單向電容 73:調整電阻 74:單向電阻 8:調速電阻 91:待測件 92:待測電源端 Vin1:第一控制信號 Vin2:第二控制信號 Vout1:第一驅動信號 Vout2:第二驅動信號 Vgs:閘極驅動信號 Vset1:第一可調電壓 Vset2:第二可調電壓 Vcc:高電壓 Vss:低電壓 Vds:待測電壓
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明部分脈衝電位可調之閘極驅動裝置的一實施例的一電路圖；及 圖2是該實施例中，一第一控制信號、一第二控制信號、一第一驅動信號、一第二驅動信號及一閘極驅動信號的波形示意圖。
21:高電位端
22:低電位端
23:第一控制輸入端
24:第二控制輸入端
25:閘極驅動端
31:第一驅動器
32:第二驅動器
4:閘極驅動電路
41:低電位端
42:驅動輸出端
43:第一驅動輸入端
44:第二驅動輸入端
5:第一驅動模組
51:輸入端
52:輸出端
53:輸入電容
54:輸入電阻
55:第一二極體
56:可調電源
57:第二二極體
58:限流電阻
59:穩壓電容
6:第二驅動模組
61:輸入端
62:輸出端
63:輸入電容
64:輸入電阻
65:第一二極體
66:可調電源
67:限流電阻
68:穩壓電容
7:單向模組
71:單向二極體
72:單向電容
73:調整電阻
74:單向電阻
8:調速電阻
91:待測件
92:待測電源端
Vin1:第一控制信號
Vin2:第二控制信號
Vout1:第一驅動信號
Vout2:第二驅動信號
Vgs:閘極驅動信號
Vset1:第一可調電壓
Vset2:第二可調電壓
Vcc:高電壓
Vss:低電壓
Vds:待測電壓

Claims (9)

  1. 一種部分脈衝電位可調之閘極驅動電路，適用於接收一第一驅動信號及一第二驅動信號，並輸出一相應的閘極驅動信號，包含： 一低電位端； 一第一驅動模組及一第二驅動模組，各自包括： 一輸入端及一輸出端， 一輸入電容與一輸入電阻，兩者並聯，且其中一端電連接該輸入端，另一端電連接該輸出端，及 一第一二極體及一可調電源，兩者串聯於該輸出端及該低電位端間； 一第一驅動輸入端及一第二驅動輸入端，分別用以接收該第一驅動信號與該第二驅動信號，且分別電連接該第一驅動模組之該輸入端與該第二驅動模組之該輸入端； 一驅動輸出端，電連接該第一驅動模組的該輸出端與該第二驅動模組的該輸出端，並用以輸出該閘極驅動信號；及 一單向模組，電連接於該第二驅動模組之該輸出端與該驅動輸出端間，用以供該第二驅動模組輸出之正向訊號單向通過。
  2. 如請求項1所述的部分脈衝電位可調之閘極驅動電路，其中，該第一驅動模組還包括一第二二極體，該第二二極體之陽極端電連接該低電位端，其陰極端電連接該輸出端。
  3. 如請求項2所述的部分脈衝電位可調之閘極驅動電路，其中，該單向模組包括一單向二極體，該單向二極體之陽極端電連接該第二驅動模組之該輸出端，該單向二極體之陰極端電連接該驅動輸出端。
  4. 如請求項3所述的部分脈衝電位可調之閘極驅動電路，其中，該單向模組還包括一並聯該單向二極體的單向電容、一串聯該單向二極體的調整電阻，及一兩端分別電連接該單向二極體之陽極端與該調整電阻遠離該單向二極體之一端的單向電阻。
  5. 如請求項2所述的部分脈衝電位可調之閘極驅動電路，其中，於該第一驅動模組與該第二驅動模組中，該第一二極體之陽極端電連接該輸出端，該第一二極體之陰極端電連接該可調電源之正端，該可調電源之負端電連接該低電位端。
  6. 如請求項5所述的部分脈衝電位可調之閘極驅動電路，其中，該第一驅動模組與該第二驅動模組各自還包括一兩端分別電連接於該可調電源之正端與該低電位端的限流電阻。
  7. 如請求項5所述的部分脈衝電位可調之閘極驅動電路，其中，該第一驅動模組與該第二驅動模組各自還包括一兩端分別電連接於該可調電源之正端與該低電位端的穩壓電容。
  8. 一種部分脈衝電位可調之閘極驅動裝置，適用於接收一第一控制信號及一第二控制信號，並對應該第一控制信號與該二控制信號驅動一待測件之閘極，包含： 一高電位端及一低電位端； 一第一控制輸入端及一第二控制輸入端，分別用以接收該第一控制信號與該第二控制信號； 一閘極驅動端，適用於輸出一對應該第一控制信號與該二控制信號的閘極驅動信號至該待測件之閘極； 一第一驅動器，電連接該高電位端、該低電位端與該第一控制輸入端，由該第一控制輸入端接收該第一控制信號並輸出一相應的第一驅動信號； 一第二驅動器，電連接該高電位端、該低電位端與該第二控制輸入端，由該第二控制輸入端接收該第二控制信號並輸出一相應的第二驅動信號； 一如請求項1~7中任一項所述的閘極驅動電路，該閘極驅動電路之該第一驅動輸入端與該第二驅動輸入端分別電連接該第一驅動器與該第二驅動器，該閘極驅動電路之該驅動輸出端與該低電位端分別電連接該閘極驅動端與上述之該低電位端。
  9. 如請求項8所述的部分脈衝電位可調之閘極驅動裝置，還包含一兩端分別電連接於該閘極驅動端與該待測件之閘極的調速電阻。
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