TWI521847B - 高壓靴帶式閘極驅動裝置 - Google Patents

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Description

高壓靴帶式閘極驅動裝置
本發明是有關於一種閘極驅動裝置，且特別是有關於一種具有靴帶(booststrap)電路的閘極驅動裝置。
請參照圖1，圖1繪示習知的閘極驅動裝置100的電路圖。其中，閘極驅動裝置100包括積體電路110、靴帶式二極體DB、升壓電容CB以及電晶體Q1、Q2，閘極驅動裝置100透過電晶體Q1、Q2的交互切換動作來提供電氣信號以驅動作為負載的電感L1。
電晶體Q1以及Q2依序串接在電源電壓VDC以及參考接地電壓GND間，並分別接收積體電路110的高端驅動信號HO以及低端驅動信號LO以導通或斷開。升壓電容CB串接在基準電壓VS以及積體電路110提供的偏壓電壓VB間。在當閘極驅動裝置100進行運作時，電晶體Q2先行導通並使積體電路110提供電源電壓VDD以透過靴帶式二極體DB對升壓電容CB充電至電源電壓VDD，並在當電晶體Q1導通且電晶體Q2斷開後，升壓電容 CB會使偏壓電壓VB被推高至VDC+VDD，並使依據偏壓電壓VB來產生的高端驅動信號HO也對應被拉高至VDC+VDD。
在此，靴帶式二極體DB必須要有承受高電壓的反向偏壓的能力，以使當偏壓電壓VB被充高時，不會產生回灌的電流至電源電壓VDD。因此，習知技術常採用額外的外掛於積體電路110外的靴帶式二極體DB來建構，這樣的做法會造成電路成本的增加。
此外，習知技術亦有利用在積體電路110中設置電晶體開關以及控制電路，並透過控制電路控制電晶體開關的導通或斷開以使升壓電容CB進行推舉，並防止有回灌的電流流至電源電壓VDD的可能。這樣的作法需要多餘的控制電路來完成，同樣需要較高的電路成本。
本發明提供一種高壓靴帶式閘極驅動裝置，在低成本的考量下，可有效減低積體電路中設置電晶體所產生的漏電流及電路成本。
本發明的高壓靴帶式閘極驅動裝置包括高端電晶體、低端電晶體、緩衝器、升壓電容以及空乏式電晶體。高端電晶體具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收第一電源電壓。低端電晶體具有第一端、第二端以及控制端，其第一端耦接至高端電晶體的第二端，低端電晶體的第二端耦接至參考接地電壓。緩 衝器則依據偏壓電壓以提供高端驅動信號至高端電晶體的控制端，並提供低端驅動信號至低端電晶體的控制端。升壓電容串接在基準電壓以及偏壓電壓間。空乏式電晶體具有第一端、第二端以及控制端，其第一端耦接至第二電源電壓，空乏式電晶體的第二端耦接至偏壓電壓，且空乏式電晶體的控制端接收參考接地電壓。
在本發明的一實施例中，上述的空乏式電晶體為N型空乏式電晶體亦可為N型接面場效電晶體。
在本發明的一實施例中，上述的空乏式電晶體的基極耦接至該參考接地電壓。
在本發明的一實施例中，上述的高端電晶體以及低端電晶體皆為N型電晶體。
在本發明的一實施例中，當上述的低端電晶體依據低端驅動信號而導通時，高端電晶體被斷開，第二電源電壓透過空乏式電晶體以對升壓電容充電，並使偏壓電壓等於空乏式電晶體的一臨界關閉電壓，此作法亦可自我穩壓避免第二電源電壓過高將偏壓電壓充至過高而使高端電晶體燒毀。當高端電晶體依據高端驅動信號而導通時，低端電晶體被斷開，且偏壓電壓被上拉至等於第一電源電壓加上臨界關閉電壓。
在本發明的一實施例中，上述的緩衝器包括高端緩衝器以及低端緩衝器。高端緩衝器耦接空乏式電晶體的第二端、高端電晶體的控制端以及高端電晶體的第二端，高端緩衝器依據偏壓 電壓以調整高端驅動信號的電壓值。低端緩衝器耦接低端電晶體的控制端，並提供低端驅動信號。
在本發明的一實施例中，閘極驅動裝置更包括核心電路。核心電路耦接高端緩衝器以及低端緩衝器，核心電路分別提供高端控制信號以及低端控制信號至高端緩衝器以及低端緩衝，其中，高端緩衝器以及低端緩衝器分別依據高端控制信號以及低端控制信號來分別產生高端驅動信號以及低端驅動信號。
在本發明的一實施例中，上述之高端驅動信號以及低端驅動信號皆為脈寬調變信號。
在本發明的一實施例中，上述之第一電源電壓的電壓值大於第二電源電壓的電壓值。
在本發明的一實施例中，上述之空乏式電晶體的反向崩潰電壓大於第一電源電壓的電壓值加上空乏式電晶體的臨界關閉電壓的電壓值。
基於上述，本發明在當高端電晶體斷開時，透過空乏式電晶體來在第二電源電壓以及偏壓電壓間提供一個恆導通的路徑，以使在當高端電晶體導通時，偏壓電壓可以被推舉至高於第一電源電壓的電壓值。如此一來，高端電晶體所接收的高端驅動信號的電壓值就可以高於第一電源電壓並提升高端電晶體的工作效率。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧閘極驅動裝置
200‧‧‧高壓靴帶式閘極驅動裝置
DB‧‧‧靴帶式二極體
Q1、Q2‧‧‧電晶體
L1‧‧‧電感
110、210‧‧‧積體電路
T1‧‧‧高端電晶體
T2‧‧‧低端電晶體
211‧‧‧緩衝器
212‧‧‧核心電路
CB‧‧‧升壓電容
DM‧‧‧空乏式電晶體
2111‧‧‧高端緩衝器
2112‧‧‧低端緩衝器
HO‧‧‧高端驅動信號
LO‧‧‧低端驅動信號
VS‧‧‧基準電壓
VB‧‧‧偏壓電壓
GND‧‧‧參考接地電壓
VDD、VDC‧‧‧電源電壓
310~350‧‧‧曲線
圖1繪示習知的閘極驅動裝置100的電路圖。
圖2繪示本發明一實施例的閘極驅動裝置200的示意圖。
圖3A及圖3B分別繪示本發明實施例的空乏式電晶體充電及反向崩潰電流電壓特性曲線圖。
圖4繪示本發明實施例的空乏式電晶體的電流電壓特性曲線圖。
圖5繪示本發明實施例的空乏式電晶體不同臨界關閉電壓的電流電壓特性曲線圖。
請參照圖2，圖2繪示本發明一實施例的閘極驅動裝置200的示意圖。閘極驅動裝置200包括高端電晶體T1、低端電晶體T2、緩衝器211、核心電路212、升壓電容CB以及空乏式電晶體DM。在本實施例中，緩衝器211、核心電路212以及空乏式電晶體DM可以被設置在積體電路210中。高端電晶體T1以及低端電晶體T2可以為N型電晶體。
高端電晶體T1具有第一端、第二端以及控制端，高端電晶體T1的第一端接收電源電壓VDC，高端電晶體T1的控制端耦接至緩衝器211以接收高端驅動信號HO，高端電晶體T1的第二 端耦接至低端電晶體T2的第一端。低端電晶體T2的第二端則耦接至參考接地電壓GND，而低端電晶體T2的控制端耦接至緩衝器211以接收低端驅動信號LO。
升壓電容CB除耦接至基準電壓VS外，其另一端點並耦接至緩衝器211，並且，升壓電容CB耦接至緩衝器211的端點上提供偏壓電壓VB。
空乏式電晶體DM具有第一端、第二端以及控制端。空乏式電晶體DM的第一端耦接至第二電源電壓VDD，空乏式電晶體DM的第二端則耦接偏壓電壓VB，另外，空乏式電晶體DM的控制端以及其基極端則皆耦接至參考接地電壓GND。
在整體的動作方面，當閘極驅動裝置200進行運作時，電晶體T2依據低端驅動信號LO而被導通，電晶體T1依據高端驅動信號HO而被斷開，此時基準電壓VS的電壓值等於參考接地電壓GND的電壓值(例如等於0伏特)，而在空乏式電晶體DM為N型空乏式電晶體的條件下，空乏式電晶體DM在導通的狀態，並傳送電源電壓VDD以對升壓電容CB充電，並使偏壓電壓VB的電壓值等於空乏式電晶體DM的臨界關閉電壓VTH。接著，電晶體T1依據高端驅動信號HO而被導通，電晶體T2依據低端驅動信號LO而被斷開，並且，此時基準電壓VS的電壓值被推升至等於電源電壓VDC的電壓值，而偏壓電壓VB的電壓值則透過升壓電容CB被推舉至等於電源電壓VDC的電壓值加上空乏式電晶體DM的臨界關閉電壓VTH的電壓值。
附帶一提的，空乏式電晶體DM亦可以為N型接面場效電晶體。
在另一方面，緩衝器211中包括高端緩衝器2111以及低端緩衝器2112來分別產生高端驅動信號HO以及低端驅動信號LO，高端緩衝器2111接收偏壓電壓VB以及基準電壓VS來分別作為操作電源以及參考接地電源。在偏壓電壓VB的電壓值被推舉為等於VDC+VTH的條件下，高端緩衝器2111可產生電壓值等於VDC+VTH的高端驅動信號HO，並藉此更降低高端電晶體T1的等效阻抗，提升高端電晶體T1的驅動效率。
值得注意的是，空乏式電晶體DM的反向崩潰電壓大於VDC+VTH，因此，在當偏壓電壓VB的電壓值等於VDC+VTH時，空乏式電晶體DM可以阻止電流透過被導通的高端電晶體T1回流至電源電壓VDD。在本實施例中，電源電壓VDC的電壓值大於電源電壓VDD的電壓值。舉例來說，電源電壓VDC的電壓值可以為600V，電源電壓VDD的電壓值可以為15V。
附帶一提的，核心電路212耦接至高端緩衝器2111以及低端緩衝器2112的輸入端，並分別傳送高端控制信號以及低端控制信號至高端緩衝器2111以及低端緩衝2112的輸入端。在此，高端緩衝器2111以及低端緩衝器2112分別依據高端控制信號以及低端控制信號來分別產生高端驅動信號HO以及低端驅動信號LO，且高端驅動信號HO以及低端驅動信號LO皆為脈寬調變信號。
由上述的說明可以得知，本發明實施例的閘極驅動裝置200透過在電源電壓VDD以及偏壓電壓VB間配置空乏式電晶體DM，來使偏壓電壓VB的推舉動作可以順利的被完成。在此條件下，空乏式電晶體DM可以透過內建在積體電路210中而不需要外掛的電子元件，並且，空乏式電晶體DM並不需要設置對應的控制電路來管控其導通或斷開的狀態，有效節省電路所需的成本。
以下請同時參照圖2、圖3A以及圖3B，其中，圖3A及圖3B分別繪示本發明實施例的空乏式電晶體充電及反向崩潰電流電壓特性曲線圖。在圖3A中，空乏式電晶體DM的臨界關閉電壓VTH約等於16V，在當空乏式電晶體DM的汲源極間的電壓差大於16V的條件下，空乏式電晶體DM會被對應關閉。此外，在圖3B中，在當空乏式電晶體DM的汲、源極間的電壓差小於約800V的條件下，空乏式電晶體DM都可以避免發生反向崩潰的現象。由此可知，應用圖3B的空乏式電晶體DM，在當在偏壓電壓VB的電壓值被推舉為等於VDC+VTH而VDC+VTH最大約為700V的條件下，空乏式電晶體DM都可以有效避免發明電流回灌的現象。
另請參照圖2及圖4，其中，圖4繪示本發明實施例的空乏式電晶體的電流電壓特性曲線圖，在圖4中，曲線310~350分別依序為空乏式電晶體DM的源極(耦接至電源電壓VDD)與閘極(耦接至參考接地電壓GND)間的偏壓由0~12V遞增時的不同的電流電壓特性曲線。由曲線310~350可以得知，透過控制閘極 接收的電源電壓的大小，可以控制空乏式電晶體DM的臨界關閉電壓。也就是此方法也可透過控制閘極接收的電源電壓的大小，可以控制偏壓電壓VB被推舉的電壓大小。此空乏式電晶體DM的臨界關閉電壓亦可簡單於製造時調整以應須求，請參見圖5，圖5繪示不同臨界關閉電壓的空乏式電晶體DM的電流電壓特性曲線。
綜上所述，本發明透過配置空乏式電晶體在相對低的電源電壓以及偏壓電壓間，在空乏式電晶體預設為導通的前提下，空乏式電晶體可提供推舉電容充電的路徑。並且，在推舉電容進行偏壓電壓的推舉動作後，空乏式電晶體可阻斷推舉後的偏壓電壓以及相對低的電源電壓間電流回流的路徑。透過上述的方式，本發明不需要外掛的電子元件，也不需要設置額外的控制電路來管控推舉電容的充電路徑的導通或斷開狀態，有效節省電路所需的成本。
200‧‧‧閘極驅動裝置
210‧‧‧積體電路
T1‧‧‧高端電晶體
T2‧‧‧低端電晶體
211‧‧‧緩衝器
212‧‧‧核心電路
CB‧‧‧升壓電容
DM‧‧‧高壓空乏式電晶體
2111‧‧‧高端緩衝器
2112‧‧‧低端緩衝器
HO‧‧‧高端驅動信號
LO‧‧‧低端驅動信號
VS‧‧‧基準電壓
VB‧‧‧偏壓電壓
GND‧‧‧參考接地電壓
VDD、VDC‧‧‧電源電壓

Claims (9)

  1. 一種高壓靴帶式閘極驅動裝置，包括：一高端電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，其第一端接收一第一電源電壓；一低端電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，其第一端耦接至該高端電晶體的第二端，該低端電晶體的第二端耦接至一參考接地電壓；一緩衝器，依據一偏壓電壓以提供一高端驅動信號至該高端電晶體的控制端，並提供一低端驅動信號至該低端電晶體的控制端；一升壓電容，串接在一基準電壓以及該偏壓電壓間，其中該基準電壓產生在該高端電晶體的第二端；一空乏式電晶體，具有第一端、第二端以及控制端，其第一端耦接至一第二電源電壓，該空乏式電晶體的第二端耦接至該偏壓電壓，且該空乏式電晶體的控制端接收該參考接地電壓，其中該空乏式電晶體為N型空乏式電晶體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的高壓靴帶式閘極驅動裝置，其中該空乏式電晶體的基極耦接至該參考接地電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的高壓靴帶式閘極驅動裝置，其中該高端電晶體以及該低端電晶體皆為N型電晶體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的高壓靴帶式閘極驅動裝置，其中當該低端電晶體依據該低端驅動信號而導通時，該高端電晶 體被斷開，該第二電源電壓透過該空乏式電晶體以對該升壓電容充電，並使該偏壓電壓等於該空乏式電晶體的一臨界關閉電壓，其中當該高端電晶體依據該高端驅動信號而導通時，該低端電晶體被斷開，且該偏壓電壓被上拉至等於該第一電源電壓加上該臨界關閉電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的高壓靴帶式閘極驅動裝置，其中該緩衝器包括：一高端緩衝器，耦接該空乏式電晶體的第二端、該高端電晶體的控制端以及該高端電晶體的第二端，依據該偏壓電壓以調整該高端驅動信號的電壓值；以及一低端緩衝器，耦接該低端電晶體的控制端，並提供該低端驅動信號。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的高壓靴帶式閘極驅動裝置，更包括：一核心電路，耦接該高端緩衝器以及該低端緩衝器，該核心電路分別提供一高端控制信號以及一低端控制信號至該高端緩衝器以及該低端緩衝器，其中，該高端緩衝器以及該低端緩衝器分別依據該高端控制信號以及該低端控制信號來分別產生該高端驅動信號以及該低端驅動信號。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的高壓靴帶式閘極驅動裝置，其中，該高端驅動信號以及該低端驅動信號皆為脈寬調變信號。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的高壓靴帶式閘極驅動裝置，其中該第一電源電壓的電壓值大於該第二電源電壓的電壓值。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的高壓靴帶式閘極驅動裝置，其中該空乏式電晶體的反向崩潰電壓大於該第一電源電壓的電壓值加上該空乏式電晶體的一臨界關閉電壓的電壓值。
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