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TW201607244A - 包含高功率增強模式的氮化鎵電晶體與驅動電路的電源切換系統 - Google Patents

包含高功率增強模式的氮化鎵電晶體與驅動電路的電源切換系統 Download PDF

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TW201607244A
TW201607244A TW104107717A TW104107717A TW201607244A TW 201607244 A TW201607244 A TW 201607244A TW 104107717 A TW104107717 A TW 104107717A TW 104107717 A TW104107717 A TW 104107717A TW 201607244 A TW201607244 A TW 201607244A
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Taiwan
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driver
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transistor
voltage
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Application number
TW104107717A
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Inventor
約翰 羅伯茲
伊安Ｈ 史考特
Original Assignee
氮化鎵系統公司
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Publication date
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Abstract

本發明揭示具有低臨界電壓之增強模式(E-Mode)氮化鎵功率電晶體的切換系統。一增強模式高電子移動率電晶體(High Electron Mobility Transistor，HEMT)D3具有一一體成形整合的氮化鎵驅動器(其包含較小型的增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體D1與D2)以及一離散式雙電壓預驅動器。D1提供該閘極驅動電壓至該氮化鎵切換器D3的閘極，D2則鉗制該氮化鎵切換器D3的閘極，一內部源極感測連接線會緊密地耦合D3的源極與D1的源極。一額外的源極感測連接線會被提供予該預驅動器使用。將該驅動電壓升壓至D1的閘極會確實且快速的拉升D1與D3，用以達到較高切換速度處的改良切換效能。該驅動電路的高電流處置器件會與該氮化鎵切換器整合並且被緊密地耦合，以便降低電感，而該離散式預驅動器則會與該氮化鎵晶片熱分離。

Description

包含高功率增強模式的氮化鎵電晶體與驅動電路的電源切換系統 相關申請案交叉參考
本申請案主張2014年3月12日提申的美國臨時專利申請案第61/951,679號的優先權，該案標題為「包含高功率增強模式的氮化鎵電晶體與驅動電路的電源切換系統(Power Switching Systems Comprising High Power E-Mode GaN Transistors And Driver Circuitry)」，本文以引用的方式將其完整併入。
本發明和高電壓的氮化鎵電晶體有關，例如，用於自動車及其它應用的氮化鎵電源切換器；明確地說，本發明關於高功率、正常不導通(normally-off)或增強模式(E-Mode)的氮化鎵電晶體，例如，氮化鎵高電子移動率電晶體(GaN High Electron Mobility Transistor，GaN HEMT)。
用於自動車應用的高功率裝置必須操作在高溫處並且提供高電流操作。大部分的油電混合車(Hybrid Vehicl，HV)以及電動車(Electric Vehicle，EV)的目前的功率列(power train)需求係利用矽質IGBT(絕緣閘極雙極電晶體)裝置來滿足。基於一些有利條件而利用氮化鎵功率電晶體能夠達成更好的效能，例如較低的導通阻值、較高的操作溫度以及較小的系統。 然而，由氮化鎵裝置所提供的改良效果仍需要以有部署的子系統來實現。
有數個研究團體正在實驗並且報告以取代Si絕緣閘極雙極電晶體為目的的氮化鎵電晶體。氮化鎵裝置的優點已在Boutros、Chu以及Hughes所發表的文章中作過說明，該篇文章的標題為「用於自動車應用的氮化鎵功率電子元件(GaN Power Electronics for Automotive Applications)」(IEEE 2012 Energytech-http：//toc.proceedings.com/15872webtoc.pdf)。舉例來說，電動推進單元需要使用高電流(200至600A)、高電壓(100至600V)、低損失功率的半導體切換器。氮化鎵切換器預期會提供超過基於矽之裝置~100x的效能，因為其具有卓越的材料特性，例如，高電子移動率與高崩潰電場並且能夠讓氮化鎵功率電子元件具備低導通阻值與快速切換能力以及較高的操作溫度(Roberts於2014年5月20至22日所舉辦的PCIM Europe 2014；International Exhibition and Conference for Power Electronics,Intelligent Motion,Renewable Energy and Energy Management會議記錄中所發表的「橫向氮化鎵電晶體-自動車應用中的絕緣閘極雙極電晶體替代物(Lateral GaN Transistors-A Replacement for IGBTs in Automotive Applications)」)。
目前，在開放市場中可購得之用於自動車應用的的高電壓氮化鎵裝非常少。然而，隨著此些裝置的成熟，可預期的係氮化鎵功率切換器將在許多應用中被引進自動車市場之中，例如，電力產生器、電力轉換單元以及電子式隨選控制配件。
為達安全操作之目的，必須使用到具有高電流與電壓能力之正常不導通的氮化鎵裝置。正常不導通操作可以藉由在疊接配置(cascade configuration)中串聯連接一正常導通的氮化鎵電晶體與一驅動金氧半導體場 效電晶體(MOSFET)來提供。或者，亦可以使用增強模式(E-Mode)正常導通的氮化鎵電晶體。
疊接結構能夠使用一慣用的金氧半導體場效電晶體或是一客製結構的金氧半導體場效電晶體來提供近似於或是優於絕緣閘極雙極電晶體裝置的臨界電壓，舉例來說，矽質超接面金氧半導體場效電晶體(SJ MOSFET)裝置以及矽質絕緣閘極雙極電晶體裝置的臨界電壓分別為~3V與~5V。或者，亦能夠使用正常不導通增強模式的氮化鎵電晶體。然而，增強模式的氮化鎵裝置通常具有非常低的臨界電壓，一般為1.5V或更小。這會對安全操作造成嚴重的問題，尤其是雜訊問題以及寄生元件，其會導致超出臨界電壓的電壓峰值或是雜訊，從而非故意地開啟該裝置為導通。顯然地，這對高電流與高電壓的應用(例如，自動車應用)來說係一種安全方面的風險。在高功率應用中雖然希望有3V或更大的臨界電壓，然而目前卻僅有少數廠商提供臨界電壓在2V以上的增強模式裝置，而臨界電壓在3V以上的裝置則非常稀少。因此，為應付因雜訊問題及寄生元件所造成的暫態並且確保安全的操作，低臨界電壓增強模式的氮化鎵電晶體需要用到具有訊號隔離器、隔離式+VE與-VE電源供應器以及源極感測凱文連接線(source-sense Kelvin connection)之審慎設計的驅動電路。
除了考量導致錯誤切換的雜訊電位之外，安全操作的另一項問題係米勒電容效應(Miller capacitance effect)。後者會在閘極為低位準時導致該功率電晶體被開啟導通。
用於疊接氮化鎵裝置的驅動器已揭示在下面的申請案之中：本案申請人於2013年12月13日提申之共同待審的PCT國際專利申請 案第PCT/CA2013/001019號，該案標題為「包含用於功率轉換電路之驅動器的裝置與系統(Devices and Systems Comprising Drivers for Power Conversion Circuits)」，該案主張2012年12月21日提申之具有相同標題的美國臨時專利申請案第61/740,825號的優先權；以及2013年12月13日提申之美國專利申請案第14/105,569號，該案標題為「用於功率轉換電路的裝置與系統(Devices and Systems for Power Conversion Circuits)」，該案主張2012年12月21日提申之具有相同標題的美國臨時專利申請案第61/740,821號的優先權。使用離散式器件以及分離式驅動電路需要藉由焊線或是其它互連技術來互連該些器件，其會產生不必要的電感。共同封裝一氮化鎵功率裝置與金氧半導體場效電晶體驅動電路同樣需要有效的熱管理。此些專利申請案揭示用於疊接配置之氮化鎵裝置的驅動電路與封裝排列，其試圖解決熱管理、串聯電感以及阻值中的一或更多項問題，用以降低或應付不必要的雜訊與電壓暫態，並且達成用於電子功率轉換電路之更低成本及更精簡的系統與裝置。
然而，對具有較低臨界電壓的增強模式氮化鎵裝置來說，使用離散式驅動電路卻會在應付此些雜訊與寄生元件的問題中造成更嚴重的挑戰，其包含米勒電容效應在內。據此，需要使用用於增強模式氮化鎵裝置的整合式驅動器來提供改良的解決方案。
米勒比值(QGD/QGS)提供一指示用以表示切換電晶體對於錯誤、不必要的切換的敏感性。當額定電壓提高時，氮化鎵電晶體的米勒比值會變差。因此，較高電壓的氮化鎵電晶體比低電壓的氮化鎵電晶體更容易受到錯誤、不必要的暫態操作影響。
數年前，在小型低電壓氮化鎵電晶體第一次被介紹時，便已發現必須克服此些驅動器難題，舉例來說，如Alexander Lidow於2010年9月的Darnell Power Forum中所發表演說中之揭示，該篇演說的標題為「氮化鎵之旅現在開始(GaN Journey Begins)」。
下面的引證資料以及其中所引述的其它引證資料提供用於氮化鎵FET之驅動器的進一步背景資訊：
a)Texas Instruments Inc.所出版的用於增強模式氮化鎵FET的LM5113 5A,100V半橋式閘極驅動器資料表(SNVS725F-2011年6月-2013年4月修訂)
b)Forghani-Sadeh(Texas Instruments Inc.)所獲頒的美國專利案第8,593,211號，該案標題為「用於保護氮化鎵FET之閘極的驅動器電路的系統與設備(System and apparatus for driver circuit for protection of gates of GaN FETS)」。
c)Takemae(Transphorm Japan Inc.)所獲頒的美國專利案第8,766,711號所揭示的整合式驅動電路。
本技術仍需改良用於增強模式氮化鎵裝置的驅動電路，尤其是，用於包含具有整合式驅動電路之高功率增強模式的氮化鎵電晶體的電源切換系統。
本發明的觀點提供包含高功率增強模式的氮化鎵電晶體與驅動電路的系統及其操作方法。
因此，本發明的其中一項觀點提供一種氮化鎵切換裝置 110，其包含：一增強模式(E-Mode)氮化鎵切換器120，其具有一整合式氮化鎵驅動器130；該增強模式氮化鎵切換器120包含一被製作在一基板(氮化鎵晶片)101上的氮化鎵電晶體切換器D3以及在該氮化鎵晶片101上與該氮化鎵電晶體D3一體成形整合的整合式氮化鎵驅動器130，其中：該整合式氮化鎵驅動器130包含一第一(上方側)增強模式氮化鎵驅動電晶體D1以及一第二(下方側)增強模式氮化鎵驅動電晶體D2，D1的汲極被耦合至Vcc，D1的源極在節點N處被耦合至D2的汲極，D2的汲極則被耦合至D3的閘極，並且該整合式氮化鎵驅動器130包含一內部源極感測連接線SSinternal用以緊密地耦合D3的源極與D2的源極，俾使得該第一電晶體D1會傳遞一驅動電壓至該氮化鎵電晶體切換器D3的閘極並且該第二電晶體D2會藉由該內部源極感測連接線SSinternal將該氮化鎵電晶體切換器D3的閘極鉗制至D3的源極；多個輸入，用以耦合至一預驅動器，以便供應閘極驅動電壓至D1的閘極與D2的閘極並且視情況供應至D3的閘極；以及一外部源極感測連接線SSexternal，用以耦合至該預驅動器。
本發明的另一項觀點提供一種氮化鎵功率切換系統，其包含：一增強模式(E-Mode)氮化鎵切換器120與驅動電路112，該驅動電路112包含一整合式氮化鎵驅動器130與一(分離式/離散式)預驅動器140；該增強模式氮化鎵切換器120包含一被製作在一第一基板(氮化鎵晶 片)101上的氮化鎵電晶體切換器D3以及在該氮化鎵晶片101上與該氮化鎵電晶體D3一體成形整合的整合式氮化鎵驅動器130，其中：該整合式氮化鎵驅動器130包含一第一(上方側)增強模式氮化鎵驅動電晶體D1以及一第二(下方側)增強模式氮化鎵驅動電晶體D2，D1的汲極被耦合至供應電壓Vcc，D1的源極在節點N處被耦合至D2的汲極，D2的汲極則被耦合至D3的閘極，俾使得該第一電晶體D1會傳遞一驅動電壓至該氮化鎵電晶體切換器D3的閘極，並且該整合式氮化鎵驅動器130包含一內部源極感測連接線用以緊密地耦合D3的源極與D2的源極，俾使得該第二電晶體D2會藉由該內部源極感測連接線SSinternal來鉗制該氮化鎵電晶體切換器D3的閘極；多條外部閘極連接線(多個輸入)，用以從該預驅動器處供應閘極驅動電壓至D1的閘極與D2的閘極中的每一者並且視情況供應至D3的閘極；以及一外部源極感測連接線SSexternal，用以耦合至該預驅動器；以及該預驅動器140被製作在一第二基板(預驅動器晶片/基板)102上，該預驅動器有一輸入用以接收一輸入電壓Vin，並且有多個輸出用以傳遞閘極驅動電壓至該整合式氮化鎵驅動器的氮化鎵驅動電晶體D1與D2中每一者的閘極連接線。
於某些實施例中，該預驅動器進一步包含一輸出，用以傳遞一驅動電壓至D3的一外部閘極連接線。
舉例來說，D3為一閘極寬度>1000mm、臨界電壓為~1.5V的大型增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體；而D1與D2為相對小閘極寬度的增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體(Wg~50mm與40mm)。該預驅動電路 被配置成讓D1的閘極與D2的閘極總是為逆相位(anti-phase)。較佳的係，該預驅動器為一雙電壓預驅動器，其被配置成用以提供一第一驅動電壓至D1的閘極並且提供一第二驅動電壓至D2的閘極，其中，該第一驅動電壓高於該第二驅動電壓。舉例來說，該預驅動器會供應0~10V的第一閘極驅動電壓Vcc1給D1並且供應0~6V的第二閘極驅動電壓Vcc2給D2。
本發明的另一項觀點提供一種操作氮化鎵切換器的方法，其包含：提供一氮化鎵切換器，其包含一具有一體成形整合式驅動電路的增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體D3，該整合式驅動電路包含第一增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體D1與第二增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體D2，D1被耦合用以提供一閘極驅動電壓至D3的閘極並且D2被耦合用以藉由一內部源極感測連接線將D3的閘極鉗制至D2的源極；以及從一離散式預驅動器處供應一驅動電壓至D1的閘極與D2的閘極並且視情況供應至D3的閘極。
較佳的係，該預驅動器為一雙電壓預驅動器，並且在高速切換中，該方法包含：提供一較高的驅動電壓至D1的閘極。
將該驅動電路分割成兩個部分，也就是，整合式氮化鎵驅動器與分離的預驅動器，允許將處置高電流的器件與該氮化鎵電晶體切換器D3一體成形整合在該氮化鎵晶片上。這可在驅動裝置D1、D2以及氮化鎵電晶體切換器D3之間提供低電感耦合，而傳遞驅動電壓至該整合式驅動器的離散式預驅動器則與該氮化鎵晶片熱分離。此作法的好處係因為氮化鎵功率電晶體的操作溫度通常高於互補式金氧半導體(CMOS)裝置能夠輕鬆應 付的溫度。因此，當該預驅動器與該氮化鎵晶片熱分離時，該預驅動器能夠為由低成本器件所製成的金氧半導體場效電晶體裝置。
氮化鎵功率電晶體切換器D3較佳的係一能夠處置100A或更大的大型增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體，臨界電壓為~1V或更高，其利用一閘極驅動功應電壓Vcc(舉例來說，6V或更大)來操作。好處係，該離散式預驅動器與整合式驅動器可以控制並且快速拉升該氮化鎵電晶體切換器的閘極。該驅動電路被排列成使得D1的閘極與D2的閘極總是為逆相位。優點係，為操作在較高的切換速度處，舉例來說，操作在20kHz或更高處，一增補電源供應器或是雙電壓電源供應器會被用來提供一較高的驅動電壓(舉例來說，10V的Vcc1)至該整合式驅動電路的驅動電晶體D1的閘極，以便達成快速且確實的拉升。
於一替代實施例中不使用需要10V供應電壓的離散式預驅動器，取而代之的係提供一種使用大型離散式P通道金氧半導體場效電晶體來明確地將D3的閘極拉高至6V供應電壓的排列。於一進一步的實施例中，更完整的整合式解決方案則使用一包括該大型離散式P通道金氧半導體場效電晶體的完全一體成形的預驅動器，並且因而提供一種完全整合式預驅動器功能。此整合式預驅動器能夠利用SOI(絕緣體上矽)技術來達成，以便達到高溫操作。
於又一實施例中，該氮化鎵切換器包含一氮化鎵功率切換器D3以及整合式氮化鎵驅動器，該整合式氮化鎵驅動器包含第一氮化鎵驅動電晶體D1與第二氮化鎵驅動電晶體D2。該預驅動器包含升壓電路，舉例來說，電壓倍增器，其會從一6V的供應電壓(Vcc或Vcc2)處產生一用於驅 動電晶體D1的12V閘極驅動電壓(Vcc1)。該升壓電路可以簡化該預驅動電路，提供送往D1之驅動電壓的改良控制效果，達成D3之閘極快速拉升至該供應電壓；同時，該預驅動器還會提供有效的抗擊穿(anti-shoot through)電路，也就是，確保D1與D2不會同時被開啟導通。
因此，本發明提供包含用於高功率增強模式氮化鎵切換器之半整合式或是分割式驅動電路的系統，其可減輕或防止已知裝置與系統的一或更多項限制條件。
100‧‧‧系統
101‧‧‧基板
102‧‧‧基板
110‧‧‧氮化鎵(GaN)切換裝置
112‧‧‧驅動電路
120‧‧‧增強模式(E-Mode)氮化鎵(GaN)高電子移動率電晶體(HEMT)
130‧‧‧氮化鎵(GaN)驅動電路
140‧‧‧預驅動電路
200‧‧‧系統
210‧‧‧氮化鎵(GaN)切換裝置
220‧‧‧增強模式(E-Mode)氮化鎵(GaN)高電子移動率電晶體(HEMT)
230‧‧‧氮化鎵(GaN)驅動電路
240‧‧‧預驅動電路
300‧‧‧系統
310‧‧‧氮化鎵(GaN)切換裝置
320‧‧‧增強模式(E-Mode)氮化鎵(GaN)高電子移動率電晶體(HEMT)
330‧‧‧氮化鎵(GaN)驅動電路
340‧‧‧預驅動電路
400‧‧‧系統
420‧‧‧增強模式(E-Mode)氮化鎵(GaN)高電子移動率電晶體(HEMT)
440‧‧‧(未定義)
D1‧‧‧增強模式(E-Mode)氮化鎵(GaN)高電子移動率電晶體(HEMT)
D2‧‧‧增強模式(E-Mode)氮化鎵(GaN)高電子移動率電晶體(HEMT)
D3‧‧‧增強模式(E-Mode)氮化鎵(GaN)高電子移動率電晶體(HEMT)
Pd1‧‧‧互補式金氧半導體(CMOS)緩衝驅動器
Pd2‧‧‧互補式金氧半導體(CMOS)緩衝驅動器
Pd3‧‧‧互補式金氧半導體(CMOS)緩衝驅動器
M1‧‧‧P通道金氧半導體場效電晶體
P1‧‧‧電路元件
P2‧‧‧電路元件
P3‧‧‧電路元件
P4‧‧‧電路元件
N1‧‧‧電路元件
N2‧‧‧電路元件
N3‧‧‧電路元件
N4‧‧‧電路元件
N5‧‧‧電路元件
N6‧‧‧電路元件
在圖式中，不同圖中的相同或對應元件會有相同的元件符號，或者，對應的元件在連續圖中會有遞增100的元件符號。
圖1所示的係根據本發明一實施例之包含一增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體與驅動電路的系統的電路圖；圖2所示的係圖1的系統的方塊圖；圖3中的A所示的係閘極驅動電壓相對於時間的關係圖，而B所示的係輸出電壓與電流相對於時間的關係圖，其在上方側驅動電晶體D1的閘極使用6V的驅動電壓；圖4中的A所示的係閘極驅動電壓相對於時間的關係圖，而B所示的係輸出電壓與電流相對於時間的關係圖，其在上方側氮化鎵驅動電晶體D1的閘極使用10V的驅動電壓；圖5所示的係利用6V預驅動器與10V預驅動器來操作的模擬結果的裝置溫度相對於時間的關係圖；圖6所示的係在具有選定閘極寬度Wg的驅動裝置D2中的轉變時間(nS) 相對於驅動裝置D1之閘極寬度Wg的關係圖；圖7所示的係功率損失相對於切換頻率的關係圖；圖8概略顯示根據第二實施例之包含一增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體與驅動電路的系統，其中，該預驅動電路包含一P通道金氧半導體場效電晶體；圖9概略顯示根據第三實施例之包含一增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體與驅動電路的系統，其中，包含該整合式P通道金氧半導體場效電晶體的預驅動電路的器件完全被整合；圖10概略顯示根據第四實施例之包含一增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體與驅動電路的系統；圖11概略顯示根據另一實施例的系統，其包含兩個氮化鎵切換裝置，每一個氮化鎵切換裝置皆有自己的整合式驅動電路與離散式預驅動電路；以及圖12所示的係使用內部源極感測連接線與外部源極感測連接線兩者來緊密耦合內部驅動電路與外部驅動電路的電路圖。
從本發明之較佳實施例的下面詳細說明中，配合上面的隨附圖式，會更明白本發明的前述與其它目的、特點、觀點以及優點，此說明僅係作為範例。
圖1與2中顯示根據本發明一實施例的系統100，其包含一氮化鎵切換裝置110與驅動電路112。舉例來說，於此實施例中，該氮化鎵切換裝置或氮化鎵晶片110包含一增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體 120(D3)，其臨界電壓為~1.5V，閘極寬度Wg為1100mm，並且能夠切換100A與600V。
如圖2中所示的方塊圖中的概略圖解，驅動電路112被分成兩個部分。因此，該驅動電路112包含：一位在第一基板101(也就是，一氮化鎵晶片)上的整合式氮化鎵驅動電路130，其與該增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體D3一體成形整合；以及一位在第二基板102中的離散式預驅動電路140。
回頭參考圖1，該整合式氮化鎵驅動電路130包含一第一氮化鎵電晶體D1與一第二氮化鎵電晶體D2。此些電晶體皆為相對小型的增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體，舉例來說，D1的閘極寬度Wg為50mm以及D2的Wg為40mm，並且兩者皆為n型。(請注意，這與包含一p型上方側電晶體與一n型下方側電晶體的習知互補式金氧半導體驅動器不同)。
如圖示，D1的汲極被耦合至一6V的電源電應器Vcc，而D1的源極在節點N處被耦合至D2的汲極，D2的汲極則被耦合至D3的閘極G。為避免源極電感中的di/dt電壓效應並且考慮到正常不導通氮化鎵電晶體D3的低臨界電壓，一內部源極感測(凱文)連接線SSinternal會被提供在D3的源極S與D2的源極S之間。重要的係，該SSinternal連接線實際上會盡可能靠近D3的源極S，以便提供該些裝置之直接且緊密的耦合，如將參考圖12的解釋，俾使得該閘極驅動迴圈不包括(也就是，繞過)來自晶片上源極連接線的固有晶片上源極電感LS1以及，舉例來說，來自互連或封裝電感的固有晶片外源極電感LS2。因此，第一氮化鎵電晶體D1提供氮化鎵功率切換器D3的閘極G的驅動電壓，而第二氮化鎵電晶體D2則利用該內部源極感測 凱文連接線將D3的閘極G鉗制至D2的源極S。一外部源極感測連接線SSexternal亦被提供用以緊密地將預驅動電路140耦合至該源極感測訊號。
圖1中所示之實施例的預驅動電路140包含三個習知的互補式金氧半導體緩衝驅動器Pd1、Pd2以及Pd3。舉例來說，如圖示，此些驅動器為能夠提供高達0.5A驅動電流的Microchip TC 1410N裝置與Microchip TC 1410裝置。此些裝置分別提供相對小型的氮化鎵電晶體D1與D2所需要的非反向功能及反向功能。
利用內部源極感測連接線SSinternal將D3的閘極內部鉗制至該源極為該整合式驅動器設計的關鍵。因此，不會有和封裝有關的任何寄生電感性元件及電阻性元件出現在該鉗制電路裡面。鉗制裝置D2會在反向驅動器Pd3(裝置類型TC 1410)的控制下驅動該功率切換器D3為不導通。因此，即使有額外的電流經由D3的汲極的切換動作被注入至D3的閘極之中，D2仍會將D3的閘極鉗制至D3的源極，以便將其關閉為不導通。
現在將參考圖12的電路圖來進一步圖解提供內部源極感測連接線SSinternal與外部源極感測連接線SSexternal兩者來解決晶片上電感與晶片外電感的優點。連接至電晶體之源極的連接線中的電感係一關鍵問題，舉例來說，因為閘極上肇因於高迴轉率(slew rate)的震鈴(ringing)數額為目前的源極電感(晶片上電感與外部電感兩者)數額的函數。如圖12中所示，該些源極感測連接線會分離閘極驅動迴圈與汲極-源極迴圈，以便最小化寄生電感Ls1與Ls2的負面效應。該整合式晶片上驅動器與該離散式預驅動器會分別藉由內部源極感測連接線與外部源極感測連接線來參考該源極感測訊號。因此，閘極驅動電路接地回路(ground return)(其可以被隔離或者讓控制電路 共用)會利用一星點(star point)來參考該源極感測訊號。
因此，晶片上驅動器的閘極驅動迴圈不包括(也就是，繞過)寄生或是固有晶片上源極電感LS1，因為該內部源極感測連接線SSinternal會將D3的源極緊密的耦合至該晶片上驅動器，也就是，將D3的源極直接並且緊密的耦合至晶片上驅動電晶體D2的源極，如圖1與2中所示，舉例來說，以便最小化該閘極驅動迴圈。同樣地，連接至預驅動器的外部源極感測連接線亦不包括該固有晶片上電感LS1以及，舉例來說，來自該汲極源極迴圈中之封裝繞線的固有晶片外/互連電感LS2。
驅動器Pd1(裝置類型TC 1410N)為非反向。所以，當輸入電壓Vin為高位準時，驅動裝置D1為導通。被提供至裝置D1的驅動電壓對該電路的效能非常關鍵。圖3中的關係圖A與關係圖B的模擬結果中所示的「驅動電壓」為被施加至功率切換器D3之閘極的電壓。如此二圖中所示，此「驅動電壓」和預驅動器Pd2及/或驅動電晶體D1的效能極度相依。因為，該預驅動器擁有有限的電流能力，如圖3中的關係圖B所示，其會達到介於4伏特與6伏特之間很差的轉變結果。
另一方面，參考圖4中的關係圖A與關係圖B，當該預驅動器Pd1具備較高電壓時，也就是，來自10V的電源供應器，驅動電晶體D1會被確實地開啟導通並且將功率切換器D3的閘極G鉗制至該6V電源供應器。如圖4中的關係圖A與關係圖B所示，相對於利用6V的電源供應器來操作，使用該10V電源供應器來更快速拉升D1的閘極會顯著地改良該系統的切換特徵。
此些模擬圖解電源0~6V的驅動電壓的效果。利用Pd1的10V 電源供應器會達到裝置D1所需要的驅動電壓。米勒效應以及低電壓處的閘極電容的非線性遞增之組合為圖中所示之驅動器負載問題的基礎。
電路的存活能力高度相依於被施加至功率切換器D3之閘極G的驅動電壓的品質。SPICE模擬證實由D3的有限上升時間與下降時間所造成的切換損失完全主導較低頻率處的切換功率損失。利用20kHz的切換速度以及具有與不具有用於預驅動器Pd1之輔助性10V電源供應器的電路，可繪出如圖5中所示的溫度時間關係圖。具有利用D1上的6V閘極驅動電壓之較差驅動配置的電路無法在25ms內達成，其已經進入熱失控(thermal runaway)狀況。利用D1的10V閘極驅動電壓的成功雙電壓設計則在185℃處抵達穩定狀況。該模擬係以假設該裝置殼體溫度保持在105℃處為基礎。
此些模擬顯示，驅動電晶體D1的閘極拉升必須非常妥適地處置，以便利用低臨界電壓來驅動增強模式高電子移動率電晶體。於氮化鎵晶片上整合該驅動電路的一部分會提供低電感，以便改良裝置D的切換控制。也就是，該驅動電路的功能會被分割，俾使得處置高電流的驅動器件D1與D2係在氮化鎵晶片上並且直接被耦合至氮化鎵切換器D3，從而降低電感。該兩個晶片上氮化鎵驅動電晶體D1與D2會供應用於切換的大部分能量，並且利用來自6V供應器之~8安培的超窄尖峰電流產生快速切換。此些氮化鎵驅動器能夠輕易地處置175℃的操作溫度。然而，因為氮化鎵晶片很熱，所以，讓該離散式預驅動互補式金氧半導體電路與該氮化鎵晶片熱分離會有好處。熱分離該預驅動電路與該高熱的氮化鎵晶片使得可以使用小型、廉價的互補式金氧半導體預驅動器，舉例來說，具有3V或4V臨 界電壓並且輸入電壓Vin為3V或5V之低成本的施密特觸發器(Schmitt trigger)。該低成本的施密特觸發器通常不適用於較高溫度操作。
模擬指出，用於預驅動器的6V供應器足以勝任20kHz以下的切換速度。然而，提供用於Pd1的10V供應器則可提供較高切換速度處所需要的卓越效能，舉例來說，俾免發生熱失控。
較低切換速度處的兩個主要功率消耗源中的其中一者為切換轉變損失。圖7所示的便係功率損失(瓦)相對於切換頻率(Hz)的關係圖。
其它明顯的功率損失則肇因於該功率切換器的有限導通阻值。超額切換轉變功率損失的原因為如圖3A中所示的不良驅動電壓。驅動電晶體D1與D2的正確尺寸設計非常重要，如圖6中所示。
參考圖6，圖中所示的係轉變時間(nS)相對於驅動裝置D1之閘極寬度Wg的關係圖，以便圖解驅動裝置D1與D2的尺寸、預驅動器供應電壓以及轉變時間之間的關係。然而，送往D1的驅動電壓的品質卻係設計中的關鍵因素。當預驅動器Pd1具備10V的供應器時會達成如圖4A中所示的乾淨轉變。接著，D1驅動器便能夠快速並且成功地將D3的閘極鉗制至該6V的供應器。
考慮到米勒電容效應，該晶片上氮化鎵下拉電晶體為要經由Cdg被注入的任何電流提供一非常低阻抗的路徑，因為汲極會以>100V/ns的dV/dt速率從幾乎為零伏特處成為至650V的正電位。
在某些應用中可能無法接受於該些預驅動器的其中一者中使用10V的電源供應器。因此，在根據第二實施例的系統200中並不使用如圖1中所示般需要10V供應器的離散式預驅動器，取而代之的係，預驅 動器240包含一大型的離散式P通道金氧半導體場效電晶體M1，其能夠被用來將D3的閘極明確地拉至該6V供應器，如圖8中所示。該大型的P通道金氧半導體場效電晶體M1會被驅動而使得D3的外部閘極會被鉗制至外部的Vcc。這會需要Pd2變成一反向驅動器，用以僅驅動該P通道金氧半導體場效電晶體。系統200的其它器件則雷同於上面參考圖1所述的器件。
在根據第三實施例的系統300中，預驅動電路340被完全整合，用以提供一如圖9中概略顯示的單晶片驅動器。圖9中所示的技術雖然為互補式金氧半導體；但是，亦能夠使用其它技術。圖中所示的特殊略圖係一清晰的簡圖：其並未顯示施密特輸入以及必要的抗擊穿電路(也就是，用以在D1與D2兩者被同步開啟導通時防止電流流動)。圖中所示之簡化設計的關鍵元件為被用來快速驅動功率切換電晶體D3為完全導通的整合式大型P通道結構。該完全整合式預驅動器能夠達成較小的系統尺寸以及較高的可靠度。因此，應該明白的係，圖9中所示的預驅動電路為圖8中所示之離散式預驅動電路的整合版本。
大面積的P通道裝置會使用一積體電路上大量的空間，並且可以的話，較佳的係以N通道裝置來取代。倘若使用N通道預驅動器的話則需要使用提昇被提供至驅動裝置D1之閘極驅動電壓的方法。一旦已設計出升壓電路的話，便可以視為該預驅動器的簡化。所以，升壓電路的可利用性有極大的好處。
因此，在圖10中所示的便係根據第四實施例之包含一驅動器的系統400。此系統包含一氮化鎵晶片，其包含一氮化鎵增強模式裝置D3以及包含氮化鎵電晶體D1與D2的整合式驅動電路。多條閘極連接線被 提供給送往D1之閘極與D2之閘極的驅動電壓使用；但是，和上面所述實施例不同的係，並沒有任何外部閘極驅動連接線連接至D3的閘極。該電路還包含內部源極感測(凱文)連接線與外部源極感測(凱文)連接線，如上面參考圖1、2、8以及9中所示實施例的說明。該預驅動電路分別提供驅動電壓Vcc1與Vcc2給D1的閘極與D2的閘極。該預驅動器包含一電壓倍增器，用以提供用於D1的必要較高閘極驅動電壓Vcc1。也就是，該電壓倍增電路係從6V的Vcc2處創造12V的Vcc1，並且允許輸出電晶體D3轉變而不會有擊穿電流並且不需要額外的驅動器連接至D3的閘極。
此預驅動器的操作如下。當Vin為低位準時，也就是，小於Vtp+Vtn+Vth(高位準)，P1與N1會傳導電流I並且D2為導通，其會保持D3為不導通。當Vin為高位準時，也就是，大於Vtp+Vtn+Vth(低位準)，N2與P2會傳導電流I而P4與P3為導通並且會提供閘極電流給D1，其會提供閘極電流給D3，俾使得D3為導通。為確保D2與D1不會同時為導通，當D1為導通時，D2必須為不導通，並且使得在P2中的電流會開啟N3與N4為導通，從而保持D2為不導通。同樣地，為在D2為導通時確保D1為不導通，在P1中流動的電流會開啟N5與N6為導通，從而吸入D1的閘極上的任何電流，並且保持D1為不導通。因此，不需要一外部閘極連接線從該預驅動器處連接至D3便可切換D3，並且不會有任何擊穿電流。使用6V的Vcc2會確保D3不會過壓(overstressed)，而該電壓倍增器則會產生一合宜的12V升壓電壓Vcc1用以完全開啟D1為導通。
本文中所提出的設計還提供可縮小的優點。僅整合氮化鎵驅動電晶體D1與D2於氮化鎵晶片上雖然佔用該氮化鎵晶片的某些空間；但 是，相較於具有氮化鎵切換器D3的完全整合式氮化鎵晶片上預驅動器/晶片上驅動器，其會佔用較少的空間，並且製作上非常簡單而且廉價。如上面提及，該離散式預驅動器可以包含較低成本的器件。每一個氮化鎵晶片(也就是，包含一氮化鎵切換器D3以及氮化鎵驅動電晶體D1與D2)都可以耦合自己的預驅動電路。如圖11中的概略顯示，一系統可以包含位在個別氮化鎵基板101上的兩個氮化鎵裝置，每一者皆包含具有整合式氮化鎵裝置130的氮化鎵切換器120以及位在一分離基板(晶片)102上的個別預驅動電路140。
在GaN Power System Inc.所發行的近期應用筆記(recent Application note)(GN001 Rev.2014-10-21)中便已利用一參考設計範例來更詳細討論過增強模式驅動器之示範性實施例的設計準則以及電路佈局考量，該份筆記的標題為「如何驅動氮化鎵增強模式功率切換電晶體(How to Drive GaN Enhancement Mode Power Switching Transistors)」，本文以引用的方式將其完整併入。
雖然上面已經透過範例，參考圖式，詳細地說明過特定實施例；不過，應該明白的係，亦可以對該些實施例進行修正與變更。
產業應用性
總結來說，和驅動增強模式氮化鎵功率裝置有關的設計問題都圍繞著低臨界電壓。被鑲嵌在相同封裝裡面的整合式驅動器或驅動器能夠提供必要的雜訊免疫驅動訊號給該功率切換器。
本發明揭示的功率切換系統具有用於低臨界電壓正常不導通或增強模式(E-Mode)氮化鎵功率電晶體的改良驅動電路。較佳的係，該氮 化鎵切換器D3包含一具有一體成形的整合式氮化鎵驅動電路的增強模式高電子移動率電晶體以及一離散式雙電壓預驅動電路140。該整合式驅動器包含相對小型的增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體D1與D2。D1提供閘極驅動電壓至該氮化鎵切換器的閘極，而D2則藉由介於D3的源極與D1的源極之間的內部源極感測連接線來鉗制將該氮化鎵切換器D3的閘極。
本發明還提供一外部源極感測連接線，用以連接至該預驅動器。該預驅動器提供一驅動電壓至D1、D2以及D3中每一者的閘極。較佳的係，升壓電路會提供一更高的驅動電壓，舉例來說，10V，用以被供應至D1的閘極，以便產生D1的確實且快速拉升，達成在較高切換速度處的改良切換效能。分割該驅動電路可讓高電流處置器件與該氮化鎵切換器整合並且被直接耦合，以便降低電感。使用一分離的預驅動器模組或晶片(其具有離散式器件或整合式器件)可以讓該預驅動器與該氮化鎵晶片熱分離，舉例來說，以便達成使用較低成本金氧半導體場效電晶體驅動器的目的。
本文雖然已經詳細說明及圖解本發明的實施例；不過，應該清楚瞭解的係，它們僅係圖解與範例而沒有限制的意義，本發明的範疇僅由隨附的申請專利範圍來限制。
100‧‧‧系統
110‧‧‧氮化鎵(GaN)切換裝置
112‧‧‧驅動電路
120‧‧‧增強模式(E-Mode)氮化鎵(GaN)高電子移動率電晶體(HEMT)
130‧‧‧氮化鎵(GaN)驅動電路
140‧‧‧預驅動電路
D1‧‧‧氮化鎵(GaN)電晶體
D2‧‧‧氮化鎵(GaN)電晶體
D3‧‧‧增強模式(E-Mode)氮化鎵(GaN)高電子移動率電晶體(HEMT)
Pd1‧‧‧互補式金氧半導體(CMOS)緩衝驅動器
Pd2‧‧‧互補式金氧半導體(CMOS)緩衝驅動器
Pd3‧‧‧互補式金氧半導體(CMOS)緩衝驅動器

Claims (16)

  1. 一種氮化鎵切換裝置110，其包含：一增強模式(E-Mode)氮化鎵切換器120，其具有一整合式氮化鎵驅動器130；該增強模式氮化鎵切換器120包含一被製作在一基板(氮化鎵晶片)101上的氮化鎵電晶體切換器D3以及在該氮化鎵晶片101上與該氮化鎵電晶體D3一體成形整合的整合式氮化鎵驅動器130，其中：該整合式氮化鎵驅動器130包含一第一(上方側)增強模式氮化鎵驅動電晶體D1以及一第二(下方側)增強模式氮化鎵驅動電晶體D2，D1的汲極被耦合至Vcc，D1的源極在節點N處被耦合至D2的汲極，D2的汲極則被耦合至D3的閘極，並且該整合式氮化鎵驅動器130包含一內部源極感測連接線用以緊密地耦合D3的源極與D2的源極，俾使得該第一電晶體D1會傳遞一驅動電壓至該氮化鎵電晶體切換器D3的閘極並且該第二電晶體D2會藉由該內部源極感測連接線SSinternal來鉗制(clamp)該氮化鎵電晶體切換器D3的閘極；多個輸入，用以耦合至一預驅動器，以便供應閘極驅動電壓至D1的閘極與D2的閘極並且視情況供應至D3的閘極；以及一外部源極感測連接線SSexternal，用以耦合至該預驅動器。
  2. 根據申請專利範圍第1項的裝置，其中，D3為一具有~1.5V臨界電壓的大閘極寬度增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體，以及D1與D2為較小閘極寬度增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體。
  3. 一種氮化鎵功率切換系統，其包含： 一增強模式(E-Mode)氮化鎵切換器120與驅動電路112，該驅動電路112包含一整合式氮化鎵驅動器130與一(分離式/離散式)預驅動器140；該增強模式氮化鎵切換器120包含一被製作在一第一基板(氮化鎵晶片)101上的氮化鎵電晶體切換器D3以及在該氮化鎵晶片101上與該氮化鎵電晶體D3一體成形整合的整合式氮化鎵驅動器130，其中：該整合式氮化鎵驅動器130包含一第一(上方側)增強模式氮化鎵驅動電晶體D1以及一第二(下方側)增強模式氮化鎵驅動電晶體D2，D1的汲極被耦合至供應電壓Vcc，D1的源極在節點N處被耦合至D2的汲極，D2的汲極則被耦合至D3的閘極，俾使得該第一電晶體D1會傳遞一驅動電壓至該氮化鎵電晶體切換器D3的閘極，並且該整合式氮化鎵驅動器130包含一內部源極感測連接線用以緊密地耦合D3的源極與D2的源極，俾使得該第二電晶體D2會藉由該內部源極感測連接線SSinternal來鉗制該氮化鎵電晶體切換器D3的閘極；多條外部閘極連接線(多個輸入)，用以從該預驅動器處供應閘極驅動電壓至D1的閘極與D2的閘極中的每一者並且視情況供應至D3的閘極；以及一外部源極感測連接線SSexternal，用以耦合至該預驅動器；以及該預驅動器140被製作在一第二基板(預驅動器晶片/基板)102上，該預驅動器有一輸入用以接收一輸入電壓Vin，並且有多個輸出用以傳遞閘極驅動電壓至該整合式氮化鎵驅動器的氮化鎵驅動電晶體D1與D2中每一者的閘極連接線。
  4. 根據申請專利範圍第3項的系統，其中，該預驅動器進一步包含一輸出，用以傳遞一閘極驅動電壓至D3的閘極。
  5. 根據申請專利範圍第3或4項的系統，其中，D3為一具有~1.5V臨界電壓的大閘極寬度增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體，以及D1與D2為較小閘極寬度增強模式氮化鎵高電子移動率電晶體。
  6. 根據申請專利範圍第3至5項中任一項的系統，其中，該預驅動器係一雙電壓預驅動器，其被配置成具有非反向預驅動電路用以供應一第一驅動電壓0~Vcc1至D1的閘極，並且被配置成具有反向預驅動電路用以供應一第二驅動電壓0~Vcc2至D2的閘極，並且當有一閘極連接線連接至D3的閘極時被配置成具有非反向預驅動電路用以供應該第二驅動電壓0~Vcc2至D3的閘極，且其中，該第一供應電壓Vcc1高於該第二供應電壓Vcc2。
  7. 根據申請專利範圍第6項的系統，其中，該預驅動器會供應0~6V的閘極驅動電壓Vcc2並且供應0~10V的閘極驅動電壓Vcc1。
  8. 根據申請專利範圍第6項的系統，其中，該預驅動器包含一電壓倍增器，其會從一6V的供應電壓Vcc2處產生一12V的供應電壓Vcc1。
  9. 根據申請專利範圍第3至8項中任一項的系統，其中，該預驅動器包含第一離散式預驅動器器件Pd1、第二離散式預驅動器器件Pd2以及第三離散式預驅動器器件Pd3，它們被耦合在介於用於Vin的輸入以及用於送往D1、D2以及D3的閘極電壓的個別輸出之間的平行路徑之中；Pd1與Pd2為非反向並且被配置成使得當Vin為高位準時，一閘極驅動電壓會被供應用以開啟驅動電晶體D1為導通，其會提供一閘極電壓至D3的閘極用以開啟功率切換器D3為導通，而Pd3為一反向元件，其被配置成使得當Vin為低位準時，一閘極驅動電壓會被供應至D2用以開啟D2為導通，以便鉗制該功率切換器D3為不導通。
  10. 根據申請專利範圍第9項的系統，其中，該Pd1預驅動器為一10V的非反向驅動器並且Pd2為一6V的非反向驅動器並且Pd3為一6V的反向驅動器。
  11. 根據申請專利範圍第9或10項的系統，其中，該些離散式預驅動器器件包含互補式金氧半導體預驅動器。
  12. 根據申請專利範圍第3至5項中任一項的系統，其中，該預驅動器備有單一供應電壓Vcc、第一預驅動電路器件Pd1、第二預驅動電路器件Pd2、第三預驅動電路器件Pd3以及一大型p通道金氧半導體場效電晶體M1，其中，M1的源極被耦合至Vcc，該金氧半導體場效電晶體M1的汲極被耦合至D3的閘極用以將該閘極拉至該電源供應電壓Vcc；Pd1為一非反向驅動器，其被耦合在用於Vin的輸入以及連接至D1之閘極的輸出之間，用以驅動D1的閘極；Pd3為一反向驅動器，其被耦合在用於Vin的輸入以及連接至D2之閘極的輸出之間，用以驅動D2的閘極；以及Pd2為一反向驅動器，其被耦合在用於Vin的輸入以及該p通道金氧半導體場效電晶體M1的閘極之間，俾使得M1會驅動D3的閘極。
  13. 根據申請專利範圍第3至5項中任一項的系統，其中，該預驅動器包含一利用單一供應電壓Vcc的整合式電路；第一整合式預驅動電路元件Pd1、第二整合式預驅動電路元件Pd2、第三整合式預驅動電路元件Pd3以及一大型p通道金氧半導體場效電晶體結構M1，其中，M1的源極被耦合至Vcc，該金氧半導體場效電晶體的汲極被耦合至D3的閘極用以將該閘極拉至該電源供應電壓Vcc；Pd1為一非反向驅動器，其被耦合在用於Vin的輸入以及連接至D1之閘極的輸出之間，用以驅動D1的閘極；Pd3為一反 向驅動器，其被耦合在用於Vin的輸入以及連接至D2之閘極的輸出之間，用以驅動D2的閘極；以及Pd2為一反向驅動器，其被耦合在用於Vin的輸入以及該p通道金氧半導體場效電晶體M1的閘極之間，俾使得M1會驅動M1的閘極。
  14. 根據申請專利範圍第3至5項中任一項的系統，其中，該預驅動器包含升壓電路(舉例來說，電壓倍增器)，用以從一供應電壓Vcc處產生一供應電壓Vcc1，其中，Vcc1>Vcc；且其中，該預驅動器被配置成用以提供一0~Vcc1的第一輸出驅動電壓至D1的閘極並且提供一0~Vcc的第二輸出電壓至D2的閘極。
  15. 根據申請專利範圍第14項的系統，其中，該預驅動器會提供輸出至D1的閘極與D3的閘極，且其中，該預驅動器進一步包含電路元件P1、N1與N2、P2、P3與P4；N3與N4、N5與N6；該些元件如圖10中所示般被耦合，俾使得：當Vin為低位準時，也就是，小於Vtp+Vtn+Vth(高位準)，P1與N1會傳導電流I並且D2為導通，其會保持D3為不導通；以及當Vin為高位準時，也就是，大於Vtp+Vtn+Vth(低位準)，N2與P2會傳導電流I而P4與P3為導通並且會提供閘極電流給D1，其會提供閘極電流給D3，俾使得D3為導通；以及N3、N4以及N5、N6會被耦合用以確保D2與D1不會同時為導通，俾使得當D1為導通時，D2必須為不導通，並且使得在P2中的電流會開啟N3與N4為導通，從而保持D2為不導通；同樣地，為在D2為導通時確保D1為不導通，在P1中流動的電流會開啟N5與N6為導通，從而吸入D1 的閘極上的任何電流，並且保持D1為不導通。
  16. 一種操作氮化鎵切換裝置的方法，該氮化鎵切換裝置具有如申請專利範圍第1項中所定義的整合式氮化鎵驅動電路，其包含：從一預驅動器處提供雙電壓驅動輸出，其包含用以驅動D1之閘極的第一驅動電壓0~Vcc1以及用以驅動D2之閘極的第二驅動電壓0~Vcc2，其中，Vcc1大於Vcc2。
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