TWI807886B - 控制主要元件開關的轉換電路 - Google Patents

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Abstract

一種控制主要元件開關的轉換電路包含電壓供應電路、儲存電路及閘極端。儲存電路包含第一端及源極端。電壓供應電路用以根據電源供應電壓以提供偏壓電壓。第一端用以接收低位電壓。源極端用以根據儲存電壓與低位電壓以輸出源極電壓，且儲存電路用以根據偏壓電壓與低位電壓以儲存儲存電壓。閘極端用以輸出閘極電壓，且閘極源極電壓為跨接閘極端與源極端的電壓。於第一階段時，閘極端耦接於第一端，且閘極源極電壓包含負電壓。

Description

控制主要元件開關的轉換電路
本案係有關於一種轉換電路，且特別是關於一種用於控制主要元件開或關的轉換電路。
目前可以透過對功率半導體開關裝置(以下簡稱為開關裝置)的閘極施加正電壓或負電壓以開啟或關閉開關裝置。然而，一般的開關裝置驅動電路往往需要在開始動作後才能產生負電壓來關閉開關裝置，因此容易在剛啟動階段產生誤導通問題。
發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使閱讀者對本揭示內容具備基本的理解。此發明內容並非本揭示內容的完整概述，且其用意並非在指出本案實施例的重要/關鍵元件或界定本案的範圍。
本案內容之一技術態樣係關於一種轉換電路。轉換電路包含電壓供應電路、儲存電路及閘極端。儲存電路包含第一端及源極端。電壓供應電路用以根據電源供應電壓 以提供偏壓電壓。第一端用以接收低位電壓。源極端用以根據儲存電壓與低位電壓以輸出源極電壓，且儲存電路用以根據偏壓電壓與低位電壓以儲存儲存電壓。閘極端用以輸出閘極電壓，且閘極源極電壓為跨接閘極端與源極端的電壓。於第一階段時，閘極端耦接於第一端，且閘極源極電壓包含負電壓。
因此，根據本案之技術內容，本案實施例所示之轉換電路得以於初始階段輸出負電壓，並可再透過電壓箝位電路調整電壓範圍，以達到主要裝置的閘極源極電壓控制。
在參閱下文實施方式後，本案所屬技術領域中具有通常知識者當可輕易瞭解本案之基本精神及其他發明目的，以及本案所採用之技術手段與實施態樣。
100~100K:轉換電路
110~110K:電壓供應電路
120~120K:儲存電路
130~130K:電壓箝位電路
140~140J:阻尼電路
A1:第一端
S:源極端
G:閘極端
R1:儲存電阻(電阻)
C1:儲存電容(電容)
VC1:儲存電壓
VH:電源供應電壓(高位電壓)
VL:低位電壓
Rs:電壓供應電阻
Vs:源極電壓
Vg:閘極電壓
Vgs:閘極源極電壓
V:跨壓(電壓)
T11、T12:第一階段
T21、T22:第二階段
T31、T32:第三階段
T41、T42:第四階段
-V1:電壓
V2:電壓
VPO:過充正電壓
VNO:過充負電壓
VP、VN:穩定電壓
131~138:電壓箝位電路
Z11:第一齊納二極體
Z12:第二齊納二極體
141A~144A:阻尼電路
D11:第一二極體
D12:第二二極體
RD1:第一電阻
RD2:第二電阻
DD1:第三二極體
DD2:第四二極體
150F~150K:控制電路
S1:第一開關
S2:第二開關
900:主要裝置
為讓本案之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。
第2圖係依照本案一實施例繪示之一種跨接閘極端與儲存電路的源極端的電壓之波形示意圖。
第3圖係依照本案一實施例繪示之一種跨接閘極端與儲存電路的源極端的電壓之波形示意圖。
第4A~4H圖係依照本案一些實施例繪示一種電壓箝位電 路的多個元件的示意圖。
第5圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。
第6A~6D圖係依照本案一些實施例繪示一種阻尼電路的多個元件的示意圖。
第7圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。
第8圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。
第9圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。
第10圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。
第11圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。
第12圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。
第13圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。
第14圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。
第15圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。
第16圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示 意圖。
根據慣常的作業方式，圖中各種特徵與元件並未依比例繪製，其繪製方式是為了以最佳的方式呈現與本案相關的具體特徵與元件。此外，在不同圖式間，以相同或相似的元件符號來指稱相似的元件/部件。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本案的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本案具體實施例的唯一形式。實施方式中涵蓋了多個具體實施例的特徵以及用以建構與操作這些具體實施例的方法步驟與其順序。然而，亦可利用其他具體實施例來達成相同或均等的功能與步驟順序。
除非本說明書另有定義，此處所用的科學與技術詞彙之含義與本案所屬技術領域中具有通常知識者所理解與慣用的意義相同。此外，在不和上下文衝突的情形下，本說明書所用的單數名詞涵蓋該名詞的複數型；而所用的複數名詞時亦涵蓋該名詞的單數型。
第1圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。如圖所示，轉換電路100包含電壓供應電路110、儲存電路120及閘極端G。儲存電路120包含第一端A1及源極端S。
為提供一種於初始階段輸出負電壓，並透過電壓箝位電路調整電壓範圍，以達到主裝置的閘極源極電壓控制 之轉換電路技術，本案提供如第1圖所示之轉換電路100的相關操作詳細說明如下所述。
第2圖係依照本案一實施例繪示之一種跨接閘極端與儲存電路的源極端的電壓之波形示意圖。請參閱第1圖及第2圖，在一實施例中，電壓供應電路110用以根據電源供應電壓VH以提供偏壓電壓。舉例而言，電壓供應電路110可以為電壓供應電阻Rs，電源供應電壓VH可以為來自電源供應裝置(圖中未示)的高電壓，且偏壓電壓可以根據電壓供應電阻Rs與電源供應電壓VH而產生，但本案不以此為限。在一些實施例中，電源供應電壓VH可以為來自電源供應裝置(圖中未示)的高電壓，且此高電壓可以大於低位電壓VL。
第一端A1用以接收低位電壓VL。源極端S用以根據儲存電壓與低位電壓VL以輸出源極電壓Vs，且儲存電路120用以根據偏壓電壓與低位電壓VL以儲存儲存電壓。舉例而言，源極端S可以耦接於主裝置(圖中未示)的源極端，且低位電壓VL可以為0(例如：接地)或負電壓。儲存電路120包含儲存電阻R1及儲存電容C1。由上述可知，儲存電壓可以為根據電壓供應電阻Rs、電源供應電壓VH及儲存電阻R1產生的VC1，但本案不以此為限。在一些實施例中，低位電壓VL可以為小於電源供應電壓VH的正電壓。在一些實施例中，低位電壓VL可以為小於電源供應電壓VH的低電壓電平，但本案不以此為限。
在一些實施例中，儲存電阻R1可以由氮化鎵 (GaN)、砷化鎵(GaAs)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)材料或其他能形成相同功能的半導體材料製成，但本案不以此為限。
在一些實施例中，儲存電容C1可以由氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)材料或其他能形成相同功能的半導體材料製成，但本案不以此為限。
在一些實施例中，電壓供應電阻Rs可以由氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)材料或其他能形成相同功能的半導體材料製成，但本案不以此為限。
請參閱第1圖及第2圖，閘極端G用以輸出閘極電壓Vg，且閘極源極電壓Vgs為跨接閘極端G與源極端S的電壓。於第一階段T11時，閘極端G耦接於第一端A1，則閘極源極電壓Vgs可以形成負電壓。舉例而言，閘極端G可以耦接於主裝置(圖中未示)的閘極端，閘極端G輸出的閘極電壓Vg可以來自低位電壓VL，源極端S輸出的源極電壓Vs可以來自儲存電壓VC1，且閘極源極電壓Vgs可以為跨接閘極端G與儲存電路120的源極端S的電壓。閘極源極電壓Vgs可以為-V1(如第2圖所示)，且當低位電壓VL為0時，-V1可以為-VC1。在一些實施例中，閘極源極電壓Vgs可以為-4V或更低的負電壓電平，但本案不以此為限。
此外，主要裝置或外部環境會產生雜訊，且雜訊會 干擾轉換電路100。即使來自閘極端G的閘極電壓Vg具有上述的雜訊，轉換電路100可以提供負的閘極電壓Vg以中和上述雜訊。舉例而言，負值的閘極電壓(例如：-4V)被設置為大於正值的雜訊(例如：1V)；因此，負值的閘極電壓Vg(例如：-4V)可以中和正值的雜訊(例如：1V)，從而使閘極電壓Vg始終為負值。隨後，當主裝置(圖中未示)的閘極端接收閘極電壓Vg為負時，主裝置(圖中未示)可以精確地被開啟或關閉，避免因雜訊造成誤啟動的影響。換句話說，只要主裝置(圖中未示)的閘極端至源極端所接收的電壓總和為負值，主要裝置就不會受到雜訊的影響而被誤開啟或關閉。
在一實施例中，於第二階段T21時，閘極端G接收電源供應電壓VH，則閘極源極電壓Vgs可以形成正電壓。舉例而言，閘極電壓Vg可以為電源供應電壓VH，當低位電壓VL為0時，源極電壓Vs可以為儲存電壓VC1。閘極源極電壓Vgs可以為電源供應電壓VH與儲存電壓VC1的差值，且閘極源極電壓Vgs可以為V2(如第2圖所示)。在一些實施例中，閘極源極電壓Vgs可以為5V或更高的正電壓電平，但本案不以此為限。
在一實施例中，於第三階段T31時，閘極端G耦接於第一端A1，則閘極源極電壓Vgs可以形成負電壓(例如：-4V或更低的負電壓電平)。隨後，於第四階段T41時，閘極端G接收電源供應電壓VH，且閘極源極電壓Vgs包含正電壓(例如：5V或更高的正電壓電平)。
第3圖係依照本案一實施例繪示之一種跨接閘極端與儲存電路的源極端的電壓之波形示意圖。請參閱第1圖及第3圖，在一實施例中，閘極端G用以輸出閘極電壓Vg，且閘極源極電壓Vgs為跨接閘極端G與源極端S的電壓。於第一階段T12時，閘極端G耦接於第一端A1，則閘極源極電壓Vgs可以形成負電壓。舉例而言，閘極源極電壓Vgs可以為跨接閘極端G與儲存電路120的源極端S的電壓V。在一些實施例中，高位電壓VHS可以為正電壓或電源供應電壓VH，且閘極源極電壓Vgs小於電源供應電壓VH，但本案不以此為限。
在一些實施例中，氮化鎵(GaN)電晶體的臨界電壓比一般電晶體小，為了防止氮化鎵電晶體誤導通問題產生，最好的設計為採用0伏特(V)電壓或低於0伏特的負電壓來關斷氮化鎵電晶體。於於第一階段T12時，閘極端G耦接於儲存電路120的第一端A1，且閘極源極電壓Vgs可以形成負電壓。轉換電路100可以提供閘極源極電壓Vgs以良好地關斷氮化鎵電晶體，但本案不以此為限。
在一實施例中，於第二階段T22時，閘極端G接收電源供應電壓VH，則閘極源極電壓Vgs可以形成正電壓。舉例而言，閘極源極電壓Vgs可以為過充正電壓VPO。隨後，過充正電壓VPO減小至穩定電壓VP，且閘極源極電壓Vgs相應降低至穩定電壓VP，但本案不以此為限。
在一實施例中，於第三階段T32時，閘極端G耦 接於第一端A1，則閘極源極電壓Vgs可以形成負電壓。舉例而言，閘極源極電壓Vgs可以為過充負電壓VNO。隨後，過充負電壓VNO增加至穩定電壓VN，且閘極源極電壓Vgs相應增加至穩定電壓VN，但本案不以此為限。
在一些實施例中，本發明主要提出能在未開始動作前即可產生負電壓之開關裝置驅動電路，以解決開關裝置在剛啟動階段容易產生誤導通之問題。又因為本發明在起始階段即可產生負電壓來關閉開關裝置，因此適合用以驅動常閉型開關裝置及常通型開關裝置。
在一實施例中，於第四階段T42，閘極端G接收電源供應電壓VH，則閘極源極電壓Vgs可以形成正電壓。舉例而言，閘極源極電壓Vgs可以為過充正電壓VPO。隨後，過充正電壓VPO減小至穩定電壓VP，且閘極源極電壓Vgs相應降低至穩定電壓VP，但本案不以此為限。
第4A~4H圖係依照本案一些實施例繪示一種電壓箝位電路的多個元件的示意圖。首先請參閱第1圖，在一實施例中，轉換電路100更包含電壓箝位電路130。電壓箝位電路130耦接於閘極端G與源極端S之間，且電壓箝位電路130用以箝位閘極源極電壓Vgs。在一些實施例中，第1圖所示的電壓箝位電路130可以由不同類型的電壓箝位電路131~138來實現，如第4A~4H圖所示，詳述如下。
在一實施例中，電壓箝位電路130包含第一類型二極體與第二類型二極體的其中至少一者。舉例而言，電 壓箝位電路130包含第一類型二極體、第二類型二極體或第一類型二極體與第二類型二極體，第一類型二極體可以為一般二極體，且第二類型二極體可以為齊納二極體(Zener diode)，但本案不以此為限。此外，電壓箝位電路130用以調整轉換電路100的閘極源極電壓範圍。在一些實施例中，電壓箝位電路130可以包含第一類型二極體與第二類型齊納二極體的其中至少一者，第一類型二極體可以為一般二極體，且第二類型齊納二極體可以為齊納二極體，但本案不以此為限。
在一些實施例中，電壓箝位電路130可以由氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)材料或其他能形成相同功能的半導體材料製成，但本案不以此為限。
請參閱第1圖及第4A圖，在一實施例中，電壓箝位電路131包含第一齊納二極體Z11。舉例而言，當電流從閘極端G至源極端S流過第一齊納二極體Z11時，跨接第一齊納二極體Z11的電壓定義為第一逆向崩潰電壓VZ11，相反地，當電流從源極端S至閘極端G流過第一齊納二極體Z11時，跨接第一齊納二極體Z11的電壓定義為第一順向電壓VFZ11，但本案不以此為限。
請參閱第1圖及第4B圖，在一實施例中，電壓箝位電路132包含第二齊納二極體Z12。舉例而言，當電流從閘極端G至源極端S流過第二齊納二極體Z12時，跨接第二齊納二極體Z12的電壓定義為第二順向電壓VFZ12， 相反地，當電流從源極端S至閘極端G流過第二齊納二極體Z12時，跨接第二齊納二極體Z12的電壓定義為第二逆向崩潰電壓VZ12，但本案不以此為限。
請參閱第1圖及第4C圖，在一實施例中，電壓箝位電路133包含第一二極體D11。舉例而言，當電流從源極端S至閘極端G流過第一二極體D11時，跨接第一二極體D11的電壓定義為第三順向電壓VFD11，但本案不以此為限。
此外，電壓箝位電路133更包含複數個第一二極體D11。舉例而言，複數個第一二極體D11可以串聯耦接以增加閘極端G與源極端S之間的箝位電壓，但本案不以此為限。
請參閱第1圖及第4D圖，在一實施例中，電壓箝位電路134包含第二二極體D12。舉例而言，當電流從閘極端G至源極端S流過第二二極體D12時，跨接第二二極體D12的電壓定義為第四順向電壓VFD12，但本案不以此為限。
此外，電壓箝位電路134更包含複數個第二二極體D12。舉例而言，複數個第二二極體D12可以串聯耦接以增加閘極端G與源極端S之間的箝位電壓，但本案不以此為限。
請參閱第1圖及第4E圖，在一實施例中，電壓箝位電路135包含第一齊納二極體Z11與第二齊納二極體Z12。舉例而言，當電流從閘極端G至源極端S流過第一 齊納二極體Z11與第二齊納二極體Z12時，跨接閘極端G與源極端S的箝位電壓為第一逆向崩潰電壓VZ11與第二順向電壓VFZ12之和。相反地，當電流從源極端S至閘極端G流過第二齊納二極體Z12與第一齊納二極體Z11，跨接閘極端G與源極端S的箝位電壓為第二逆向崩潰電壓VZ12與第一順向電壓VFZ11之和，但本案不以此為限。
請參閱第1圖及第4F圖，在一實施例中，電壓箝位電路136包含第一二極體D11與第二二極體D12。舉例而言，當電流從閘極端G至源極端S流過第二二極體D12時，跨接閘極端G與源極端S的箝位電壓為第四順向電壓VFD12。相反地，當電流從源極端S至閘極端G流過第一二極體D11時，跨接閘極端G與源極端S的箝位電壓為第三順向電壓VFD11，但本案不以此為限。
此外，電壓箝位電路136更包含複數個第一二極體D11與複數個第二二極體D12。舉例而言，複數個第一二極體D11可以串聯耦接以增加閘極端G與源極端S之間的箝位電壓。同樣地，複數個第二二極體D12可以串聯耦接以增加閘極端G與源極端S之間的箝位電壓，但本案不以此為限。
請參閱第1圖及第4G圖，在一實施例中，電壓箝位電路137包含第一齊納二極體Z11與第二二極體D12。舉例而言，當電流從閘極端G至源極端S流過第二二極體D12與第一齊納二極體Z11，跨接閘極端G與源極端S的箝位電壓為第四順向電壓VFD12與第一逆向崩潰電壓 VZ11之和，但本案不以此為限。
請參閱第1圖及第4H圖，在一實施例中，電壓箝位電路138包含第一二極體D11與第二齊納二極體Z12。舉例而言，當當電流從源極端S至閘極端G流過第一二極體D11與第二齊納二極體Z12，跨接閘極端G與源極端S的箝位電壓為第三順向電壓VFD11與第二逆向崩潰電壓VZ12之和，但本案不以此為限。
第5圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。如圖所示，相較於第1圖所示之轉換電路100，第5圖所示之轉換電路100A更包含阻尼電路140A，且阻尼電路140A耦接於閘極端G。在一實施例中，阻尼電路140A用以控制閘極源極電壓Vgs的驅動速度。轉換電路100A中的其他元件的連接及操作與第1圖所示之轉換電路100中的元件相似，且為簡潔起見，此處將省略關於轉換電路100A中其他元件的連接及操作的描述。
第6A~6D圖係依照本案一些實施例繪示一種阻尼電路的多個元件的示意圖。首先請參閱第5圖，在一實施例中，阻尼電路140A包含電阻與二極體的其中至少一者。舉例而言，阻尼電路140A包含電阻、二極體或電阻與二極體，但本案不以此為限。在一些實施例中，第5圖所示之阻尼電路140A可以由不同類型的阻尼電路141A~144A來實現，如6A~6D圖所示，詳述如下。
請參閱第5圖與第6A圖，在一實施例中，阻尼電路141A包含第一電阻RD1。舉例而言，阻尼電路141A 可以為第一電阻RD1，但本案不以此為限。
請參閱第5圖與第6B圖，在一實施例中，阻尼電路142A包含第二電阻RD2與第三二極體DD1。舉例而言，第二電阻RD2可以並聯耦接於第三二極體DD1，但本案不以此為限。
請參閱第5圖與第6C圖，在一實施例中，阻尼電路143A包含第一電阻RD1、第二電阻RD2與第三二極體DD1。舉例而言，第三二極體DD1可以串聯耦接於第一電阻RD1，且第二電阻RD2可以並聯耦接於第一電阻RD1與第三二極體DD1，但本案不以此為限。
請參閱第5圖與第6D圖，在一實施例中，阻尼電路144A包含第一電阻RD1、第二電阻RD2與第四二極體DD2。舉例而言，第四二極體DD2可以串聯耦接於第二電阻RD2，且第一電阻RD1可以並聯耦接於第二電阻RD2與第四二極體DD2，但本案不以此為限。
第7圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。如圖所示，相較於第1圖所示之轉換電路100，第7圖所示之轉換電路100B更包含阻尼電路140B，且阻尼電路140B耦接於閘極端G。在一實施例中，阻尼電路140B用以控制閘極源極電壓Vgs的驅動速度。轉換電路100B中的其他元件的連接及操作與第1圖所示之轉換電路100中的元件相似，且為簡潔起見，此處將省略關於轉換電路100B中其他元件的連接及操作的描述。
在一實施例中，阻尼電路140B包含第一電阻 RD1、第二電阻RD2與第三二極體DD1。
第8圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。如圖所示，相較於第1圖所示之轉換電路100，第8圖所示之轉換電路100C的儲存電路120C包含阻尼電路140C，且阻尼電路140C耦接於儲存電阻R1與儲存電容C1。在一實施例中，阻尼電路140C用以控制閘極源極電壓Vgs的驅動速度。轉換電路100C的其他元件的連接及操作與第1圖所示之轉換電路100中的元件相似，且為簡潔起見，此處將省略關於轉換電路100C中其他元件的連接及操作的描述。請參閱第1圖，在一實施例中，儲存電路120更包含阻尼電路(圖中未示)，且阻尼電路用以控制閘極源極電壓Vgs的驅動速度。在一些實施例中，阻尼電路140C可以耦接於第一端A1、儲存電阻R1及儲存電容C1。
第9圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。如圖所示，相較於第1圖所示之轉換電路100，第9圖所示之轉換電路100D更包含阻尼電路140D，且阻尼電路140D耦接於儲存電路120D與源極端S之間。在一實施例中，阻尼電路140D用以控制閘極源極電壓Vgs的驅動速度。轉換電路100D的其他元件的連接及操作與第1圖所示之轉換電路100中的元件相似，且為簡潔起見，此處將省略關於轉換電路100D中其他元件的連接及操作的描述。
第10圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的 方塊示意圖。如圖所示，相較於第1圖所示之轉換電路100，第10圖所示之轉換電路100E更包含阻尼電路140E，且阻尼電路140E耦接於儲存電路120E與第一端A1之間。在一實施例中，阻尼電路140E用以控制閘極源極電壓Vgs的驅動速度。轉換電路100E中的其他元件的連接及操作與第1圖所示之轉換電路100中的元件相似，且為簡潔起見，此處將省略關於轉換電路100E中其他元件的連接及操作的描述。
在一些實施例中，第7圖至第10圖所示之阻尼電路140B~140E可以為由不同類型的的阻尼電路141A~144A來實現，如6A~6D圖所示。
第11圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。如圖所示，相較於第1圖所示之轉換電路100，第11圖所示之轉換電路100F更包含控制電路150F，且控制電路150F耦接於儲存電路120F。在一些實施例中，控制電路150F可以耦接於儲存電路120F與閘極端G，且控制電路150F可以接收電源供應電壓VH，但本案不以此為限。
為提供一種於初始階段輸出負電壓，並透過電壓箝位電路調整電壓範圍，以達到主要裝置的閘極源極電壓控制之轉換電路技術，本案提供如第11圖所示之轉換電路100F的相關操作詳細說明如下所述。
請參閱第2圖與第11圖，在一實施例中，電壓供應電路110F用以根據電源供應電壓VH以提供偏壓電壓。 舉例而言，電壓供應電路110F可以為電壓供應電阻Rs，電源供應電壓VH可以為來自電源供應裝置(圖中未示)的正電壓，且偏壓電壓可以根據電壓供應電阻Rs與電源供應電壓VH而產生，但本案不以此為限。
第一端A1用以接收低位電壓VL。源極端S用以根據儲存電壓與低位電壓VL以輸出源極電壓Vs。儲存電路120F用以根據偏壓電壓與低位電壓VL以儲存儲存電壓。舉例而言，源極端S可以耦接於主裝置(圖中未示)的源極端，且低位電壓VL可以為0(例如：接地)或負電壓，儲存電路120F可以包含儲存電阻R1與儲存電容C1，且儲存電壓可以為根據電壓供應電阻Rs、電源供應電壓VH及儲存電阻R1產生的VC1，但本案不以此為限。在一些實施例中，低位電壓VL可以為小於電源供應電壓VH的正電壓。
在一些實施例中，儲存電阻R1可以由氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)材料或其他能形成相同功能的半導體材料製成，但本案不以此為限。
在一些實施例中，儲存電容C1可以由氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)材料或其他能形成相同功能的半導體材料製成，但本案不以此為限。
在一些實施例中，電壓供應電阻Rs可以由氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、 絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)材料或其他能形成相同功能的半導體材料製成，但本案不以此為限。
請參閱第2圖與第11圖，控制電路150F用以接收電源供應電壓VH與低位電壓VL。閘極端G用以輸出閘極電壓Vg，則閘極源極電壓Vgs為跨接閘極端G與源極端S的電壓。於第一階段T11時，控制電路150F的第二開關S2被關閉且控制電路150F的第一開關S1被開啟，控制電路150F接收並傳遞低位電壓VL至閘極端G，且閘極源極電壓Vgs可以形成負電壓。舉例而言，控制電路150F可以包含第一開關S1。在一些實施例中，控制電路150F的第一開關S1被開啟，閘極端G可以耦接於主裝置900的閘極端，且閘極端G輸出的閘極電壓Vg可以來自低位電壓VL。源極端S輸出的源極電壓Vs可以來自儲存電壓VC1，且閘極源極電壓Vgs可以為跨接閘極端G與儲存電路120F的源極端S的電壓。閘極源極電壓Vgs可以為-V1(如第2圖所示)，且當低位電壓VL為0時，-V1可以為-VC1。在一些實施例中，閘極源極電壓Vgs可以為-4V，但本案不以此為限。
此外，主要裝置或外部環境會產生雜訊，且雜訊會干擾轉換電路100F。即使來自閘極端G的閘極電壓Vg具有上述的雜訊，轉換電路100F可以提供負的閘極電壓Vg以中和上述的雜訊。舉例而言，負值的閘極電壓(例如：-4V)被設置為大於正值的雜訊(例如：1V)；因此，負值的閘極電壓Vg(例如：-4V)可以中和正值的雜訊(例 如：1V)，從而使閘極電壓Vg始終為負值。隨後，當主裝置(圖中未示)的閘極端接收閘極電壓Vg為負時，主裝置(圖中未示)可以精確地被關閉，避免因雜訊造成誤啟動的影響。換句話說，只要主裝置(圖中未示)的閘極端至源極端接收的電壓總和為負值，主要裝置就不會受到雜訊的影響而被誤開啟或關閉。
在一實施例中，於第二階段T21時，控制電路150F的第二開關S2被開啟且控制電路150F的第一開關S1被關閉，控制電路150F接收並傳遞電源供應電壓VH至閘極端G，則閘極源極電壓Vgs可以形成正電壓。舉例而言，閘極電壓Vg可以為電源供應電壓VH，當低位電壓VL為0時，源極電壓Vs可以為儲存電壓VC1。控制電路150F可以包含第二開關S2，而控制電路150F被開啟可以為第二開關S2被開啟，閘極源極電壓Vgs可以為電源供應電壓VH與儲存電壓VC1的差值，且閘極源極電壓Vgs可以為V2(如第2圖所示)。在一些實施例中，閘極源極電壓Vgs可以為5V或更高的正電壓電平，但本案不以此為限。
在一實施例中，於第三階段T31時，控制電路150F的第二開關S2被關閉且控制電路150F的第一開關S1被開啟，控制電路150F接收並傳遞低位電壓VL至閘極端G，則閘極源極電壓Vgs可以形成負電壓(例如：-4V)。隨後，於第四階段T41，控制電路150F的第二開關S2被開啟且控制電路150F的第一開關S1被關閉，控制電路 150F接收並傳遞電源供應電壓VH至閘極端G，則閘極源極電壓Vgs可以形成正電壓(例如：5V)。
請參閱第3圖與第11圖，在一實施例中，閘極端G用以輸出閘極電壓Vg，且閘極源極電壓Vgs為跨接閘極端G與源極端S的電壓。於第一階段T12時，控制電路150F的第二開關S2被關閉且控制電路150F的第一開關S1被開啟，控制電路150F接收並傳遞低位電壓VL至閘極端G，且閘極源極電壓Vgs可以形成負電壓。舉例而言，控制電路150F可以包含第一開關S1，而控制電路150F被開啟可以為第一開關S1被開啟，閘極源極電壓Vgs可以為跨接閘極端G與儲存電路120F的源極端S的電壓V。在一些實施例中，高位電壓VHS可以為正電壓或電源供應電壓VH，且閘極源極電壓Vgs小於電源供應電壓VH，但本案不以此為限。
在一些實施例中，氮化鎵(GaN)電晶體的臨界電壓比一般電晶體小，為了防止氮化鎵電晶體誤導通問題產生，最好的設計為採用0伏特(V)電壓或低於0伏特的負電壓來關斷氮化鎵電晶體。於於第一階段T12時，閘極端G耦接於儲存電路120F的第一端A1，則閘極源極電壓Vgs可以形成負電壓。轉換電路100F可以提供閘極源極電壓Vgs以良好地關斷氮化鎵電晶體，但本案不以此為限。
在一實施例中，於第二階段T22，控制電路150F的第二開關S2被開啟且控制電路150F的第一開關S1被 關閉，控制電路150F接收並傳遞電源供應電壓VH至閘極端G，且閘極源極電壓Vgs可以形成正電壓。舉例而言，控制電路150F可以包含第二開關S2，而控制電路150F被開啟可以為第二開關S2被開啟，閘極源極電壓Vgs可以為過充正電壓VPO。隨後，過充正電壓VPO減小至穩定電壓VP，且閘極源極電壓Vgs相應降低至穩定電壓VP，但本案不以此為限。
在一實施例中，於第三階段T32時，控制電路150F的第二開關S2被關閉且控制電路150F的第一開關S1被開啟，控制電路150F接收並傳遞低位電壓VL至閘極端G，且閘極源極電壓Vgs可以形成負電壓。舉例而言，控制電路150F可以包含第一開關S1，而控制電路150F被開啟可以為第一開關S1被開啟，閘極源極電壓Vgs可以為過充負電壓VNO。隨後，過充負電壓VNO增加至穩定電壓VN，且閘極源極電壓Vgs相應增加至穩定電壓VN，但本案不以此為限。
在一實施例中，於第四階段T42時，控制電路150F的第二開關S2被開啟且控制電路150F的第一開關S1被關閉，控制電路150F接收並傳遞電源供應電壓VH至閘極端G，且閘極源極電壓Vgs可以形成正電壓。舉例而言，控制電路150F可以包含第二開關S2，而控制電路150F被開啟可以為第二開關S2被開啟，閘極源極電壓Vgs可以為過充正電壓VPO。隨後，過充正電壓VPO減小至穩定電壓VP，且閘極源極電壓Vgs相應降低至穩定 電壓VP，但本案不以此為限。
在一實施例中，主裝置900可以為實體開關。在一些實施例中，主裝置900可以由氮化鎵(例如：具有閘極注入電晶體的氮化鎵、具有歐姆接觸(Ohmic Contact)閘極的氮化鎵及具有蕭特基接觸(Schottky Contact)閘極的氮化鎵)、砷化鎵(GaAs)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)材料或其他能形成相同功能的半導體材料製成，但本案不以此為限。
在一些實施例中，本案係有關於一種用於功率半導體開關裝置與常開/關斷開關裝置、電晶體與使用相同之半導體裝置的轉換電路(或驅動電路)。使用矽(Si)、碳化矽(SiC)、砷化鎵(GaAs)、化合物半導體或鑽石等材料的半導體元件表現出作為開關元件的優異特性。於此，此半導體元件的舉例如下：氧半場效電晶體Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect,MOSFET)、接面場效電晶體(Junction FET,JFET)、靜態感應電晶體(Static Induction Transistor,SIT)、金屬半導體場效電晶體(Metal-Semiconductor Field Effect Transistor,MESFET)、異質接面場效電晶體(Heterojunction Field Effect Transistor,HFET)、金屬絕緣體半導體場效電晶體(metal insulator semiconductor field effect transistor,MISFET)、高電子遷移率電晶體(High Electron Mobility Transistor,HEMT)及閘極注入電晶體 (Gate Injection Transistor,GIT)，但本案不以此為限。
首先請參閱第11圖，在一實施例中，轉換電路100F更包含電壓箝位電路130F。電壓箝位電路130F耦接於閘極端G與源極端S之間，並用以箝位閘極源極電壓Vgs。在一些實施例中，第11圖所示之電壓箝位電路130F可以由不同類型的電壓箝位電路131~138來實現，如第4A~4H圖所示，詳述如下。
在一實施例中，電壓箝位電路130F包含第一類型二極體與第二類型二極體的其中至少一者。舉例而言，電壓箝位電路130F包含第一類型二極體、第二類型二極體或第一類型二極體與第二類型二極體，第一類型二極體可以為一般二極體，且第二類型二極體可以為齊納二極體，但本案不以此為限。此外，電壓箝位電路130F用以調整轉換電路100F的閘極源極電壓範圍。在一些實施例中，電壓箝位電路130F可以包含第一類型二極體與第二類型齊納二極體的其中至少一者，第一類型二極體可以為一般二極體，且第二類型齊納二極體可以為齊納二極體，但本案不以此為限。
在一些實施例中，電壓箝位電路130F可以由不同類型的電壓箝位電路131~138來實現，如第4A~4H圖所示。
在一些實施例中，電壓箝位電路130F可以由氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、 絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)材料或其他能形成相同功能的半導體材料製成，但本案不以此為限。
第12圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。請參閱第12圖，相較於第11圖所示之轉換電路100F，第12圖所示之轉換電路100G更包含阻尼電路140G，且阻尼電路140G耦接於閘極端G。在一實施例中，阻尼電路140G用以控制閘極源極電壓Vgs的驅動速度。轉換電路100G中的其他元件的連接及操作與第11圖所示之轉換電路100F中的元件相似，且為簡潔起見，此處將省略關於轉換電路100G中其他元件的連接及操作的描述。
在一實施例中，阻尼電路140G包含電阻與二極體的其中至少一者。舉例而言，阻尼電路140G可以為電阻、二極體或電阻與二極體，但本案不以此為限。
在一些實施例中，阻尼電路140G可以由不同類型的的阻尼電路141A~144A來實現，如6A~6D圖所示。
第13圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。請參閱第13圖，相較於第11圖所示之轉換電路100F，第13圖所示之轉換電路100H的儲存電路120H包含阻尼電路140H，且阻尼電路140H耦接於儲存電阻R1與儲存電容C1。在一實施例中，阻尼電路140H用以控制閘極源極電壓Vgs的驅動速度。轉換電路100H中的其他元件的連接及操作與第11圖所示之轉換電路 100F中的元件相似，且為簡潔起見，此處將省略關於轉換電路100H中其他元件的連接及操作的描述。
第14圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。如圖所示，相較於第11圖所示之轉換電路100F，第14圖所示之轉換電路100I更包含阻尼電路140I，且阻尼電路140I耦接於儲存電路120I與源極端S。在一實施例中，阻尼電路140I用以控制閘極源極電壓Vgs的驅動速度。轉換電路100I中的其他元件的連接及操作與第11圖所示之轉換電路100F中的元件相似，且為簡潔起見，此處將省略關於轉換電路100I中其他元件的連接及操作的描述。
第15圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的方塊示意圖。如圖所示，相較於第11圖所示之轉換電路100F，第15圖所示之轉換電路100J包含阻尼電路140J，且阻尼電路140J耦接於儲存電路120J與控制電路150J。在一實施例中，阻尼電路140J用以控制閘極源極電壓Vgs的驅動速度。轉換電路100J中的其他元件的連接及操作與第11圖所示之轉換電路100F中的元件相似，且為簡潔起見，此處將省略關於轉換電路100J中其他元件的連接及操作的描述。
在一些實施例中，第12圖至第15圖所示之阻尼電路140G~140J可以由不同類型的的阻尼電路141A~144A來實現，如6A~6D圖所示。
第16圖係依照本案一實施例繪示一種轉換電路的 方塊示意圖。如圖所示，相較於第11圖所示之轉換電路100F，轉換電路100K包含至少兩個轉換電路，且至少兩個轉換電路互相耦接。轉換電路100K中的其他元件的連接及操作與第11圖所示之轉換電路100F中的元件相似，且為簡潔起見，此處將省略關於轉換電路100H中其他元件的連接及操作的描述。
在一些實施例中，第11圖至第16圖所示之電壓箝位電路130F~130K可以由不同類型的電壓箝位電路131~138來實現，如第4A~4H圖所示。
在一實施例中，控制電路150F~150K包含複數個開關S1、S2。在一些實施例中，複數個開關S1、S2可以由實體開關、氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、矽(Si)、碳化矽(SiC)、絕緣閘極雙極性電晶體(IGBT)材料或其他能形成相同功能的半導體材料製成，但本案不以此為限。
在一些實施例中，控制電路150F~150J、阻尼電路140F~140J、儲存電路120F~120J、電壓供應電路110F~110J與電壓箝位電路130F~130J可以整合於任何型式之封裝方法，但本案不以此為限。
在一些實施例中，主裝置900、阻尼電路140F~140J、儲存電路120F~120J、電壓供應電路110F~110J與電壓箝位電路130F~130J可以整合於任何型式之封裝方法，但本案不以此為限。
在一些實施例中，主裝置900與電壓箝位電路 130F~130J可以整合於任何型式之封裝方法，但本案不以此為限。
在一些實施例中，主裝置900、控制電路150F~150J、阻尼電路140F~140J、儲存電路120F~120J、電壓供應電路110F~110J與電壓箝位電路130F~130J可以整合於任何型式之封裝方法，但本案不以此為限。
由上述本案實施方式可知，應用本案具有下列優點。本案實施例所示之轉換電路得以於初始階段輸出負電壓，並透過電壓箝位電路調整電壓範圍，以達到主要裝置的閘極源極電壓控制。
雖然上文實施方式中揭露了本案的具體實施例，然其並非用以限定本案，本案所屬技術領域中具有通常知識者，在不悖離本案之原理與精神的情形下，當可對其進行各種更動與修飾，因此本案之保護範圍當以附隨申請專利範圍所界定者為準。
100:轉換電路
110:電壓供應電路
120:儲存電路
130:電壓箝位電路
A1:第一端
S:源極端
G:閘極端
R1:儲存電阻
C1:儲存電容
VC1:儲存電壓
VH:電源供應電壓
VL:低位電壓
Rs:電壓供應電阻
Vs:源極電壓
Vg:閘極電壓
Vgs:閘極源極電壓

Claims (23)

  1. 一種控制主要元件開關的轉換電路，包含：一電壓供應電路，用以根據一電源供應電壓以提供一偏壓電壓；一儲存電路，包含：一第一端，用以接收一低位電壓；以及一源極端，用以根據一儲存電壓與該低位電壓以輸出一源極電壓，其中該儲存電路用以根據該偏壓電壓與該低位電壓以儲存該儲存電壓；以及一閘極端，用以輸出一閘極電壓，其中一閘極源極電壓為跨接該閘極端與該源極端的一電壓，其中於一第一階段時，該閘極端耦接於該第一端，且該閘極源極電壓包含一負電壓。
  2. 如請求項1所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中於一第二階段時，該閘極端接收該電源供應電壓，且該閘極源極電壓包含一正電壓。
  3. 如請求項2所述之控制主要元件開關的轉換電路，更包含：一阻尼電路，用以控制該閘極源極電壓的一驅動速度。
  4. 如請求項3所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中該阻尼電路包含一電阻與一二極體的其中至少 一者。
  5. 如請求項2所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中該儲存電路更包含一阻尼電路，其中該阻尼電路用以控制該閘極源極電壓的一驅動速度。
  6. 一種控制主要元件開關的轉換電路，包含：一電壓供應電路，用以根據一電源供應電壓以提供一偏壓電壓；一儲存電路，包含：一第一端，用以接收一低位電壓；以及一源極端，用以根據一儲存電壓與該低位電壓以輸出一源極電壓，其中該儲存電路用以根據該偏壓電壓與該低位電壓以儲存該儲存電壓；一閘極端，用以輸出一閘極電壓，其中一閘極源極電壓為跨接該閘極端與該源極端的一電壓；以及一電壓箝位電路，耦接於該閘極端與該源極端之間，並用以箝位該閘極源極電壓；其中於一第一階段時，該閘極端耦接於該第一端，且該閘極源極電壓包含一負電壓。
  7. 如請求項6所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中於一第二階段時，該閘極端接收該電源供應電壓，且該閘極源極電壓包含一正電壓。
  8. 如請求項7所述之控制主要元件開關的轉換電路，更包含：一阻尼電路，用以控制該閘極源極電壓的一驅動速度。
  9. 如請求項8所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中該阻尼電路包含一電阻與一二極體的其中至少一者。
  10. 如請求項6所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中該儲存電路包含一阻尼電路，其中該阻尼電路用以控制該閘極源極電壓的一驅動速度。
  11. 如請求項10所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中該阻尼電路包含一電阻與一二極體的其中至少一者。
  12. 如請求項7所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中該電壓箝位電路包含一第一類型二極體與一第二類型二極體的其中至少一者。
  13. 如請求項12所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中該第一類型二極體包含一一般二極體，其中該第二類型二極體包含一齊納二極體。
  14. 一種控制主要元件開關的轉換電路，包含：一電壓供應電路，用以根據一電源供應電壓以提供一偏壓電壓；一儲存電路，包含：一第一端，用以接收一低位電壓；以及一源極端，用以根據一儲存電壓與該低位電壓以輸出一源極電壓，其中該儲存電路用以根據該偏壓電壓與該低位電壓以儲存該儲存電壓；一控制電路，用以接收該電源供應電壓與該低位電壓，並耦接於該儲存電路；以及一閘極端，耦接於該控制電路，並用以輸出一閘極電壓，其中一閘極源極電壓為跨接該閘極端與該源極端的一電壓，其中於一第一階段時，該控制電路的一第一開關被開啟，該控制電路接收並傳遞該低位電壓至該閘極端，且該閘極源極電壓包含一負電壓。
  15. 如請求項14所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中於一第二階段，該控制電路的一第二開關被開啟，該控制電路接收並傳遞該電源供應電壓至該閘極端，且該閘極源極電壓包含一正電壓。
  16. 如請求項15所述之控制主要元件開關的轉換電路，更包含： 一電壓箝位電路，耦接於該閘極端與該源極端之間，並用以箝位該閘極源極電壓。
  17. 如請求項16所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中該電壓箝位電路包含一第一類型二極體與一第二類型二極體的其中至少一者。
  18. 如請求項15所述之控制主要元件開關的轉換電路，更包含：一阻尼電路，用以控制該閘極源極電壓的一驅動速度。
  19. 如請求項18所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中該阻尼電路包含一電阻與一二極體的其中至少一者。
  20. 如請求項15所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中該儲存電路包一阻尼電路，其中該阻尼電路用以控制該閘極源極電壓的一驅動速度。
  21. 如請求項14所述之控制主要元件開關的轉換電路，更包含：一主裝置，耦接於該閘極端與該源極端，並用以接收該閘極源極電壓。
  22. 如請求項14所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中該儲存電路更包含：一儲存電阻；以及一儲存電容，用以儲存該儲存電壓。
  23. 如請求項17所述之控制主要元件開關的轉換電路，其中該第一類型二極體包含一一般二極體，其中該第二類型二極體包含一齊納二極體。
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