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TWI871686B - 通用功率場效電晶體(fet)驅動器積體電路(ic)架構 - Google Patents

通用功率場效電晶體(fet)驅動器積體電路(ic)架構 Download PDF

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TWI871686B
TWI871686B TW112124139A TW112124139A TWI871686B TW I871686 B TWI871686 B TW I871686B TW 112124139 A TW112124139 A TW 112124139A TW 112124139 A TW112124139 A TW 112124139A TW I871686 B TWI871686 B TW I871686B
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synchronous
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愛德華 李
拉維 阿南斯
麥可 強普曼
麥克 Ａ 德魯義
大衛 Ｃ 塔姆
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美商高效電源轉換公司
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Abstract

一種閘極驅動器電路，其將一同步自舉式電路整合在一積體電路之一隔離井中，使得連接至該同步自舉式電路(且連接至一電力轉換器之對應開關節點)之同步自舉式電容器能隨著對應開關節點浮動。由於此特徵，一個同步自舉式電容器上之電壓係用於為連接至一不同開關節點之一單獨隔離井中之另一(更高階)同步自舉式電路之同步自舉式電容器充電。結果是，不同隔離井中之同步自舉式電路用之供應電壓全都可藉由單一接地參考供應Vdd來供應。

Description

通用功率場效電晶體(FET)驅動器積體電路(IC)架構
本揭示係有關於通用功率場效電晶體(FET)驅動器積體電路(IC)架構。
半橋積體電路通常使用高側場效電晶體(FET)閘極驅動器實施一自舉式電路，用以向高側FET之閘極端子供應大於供應電壓之一提升電壓。特別的是，自舉式電路利用一自舉式電容器在半橋之低側FET之通態期間(當SW端子係短接至接地時)進行充電，而高側FET則處於一斷態。當低側FET切換為斷開、且高側FET切換為接通時，自舉式電容器中儲存之電壓將施加至高側FET之閘極端子。然而，這種架構並不適用於一些電力轉換器拓樸結構，諸如多位準轉換器，因為多位準轉換器中之上階SW節點未切換至接地。如果SW節點未將自舉式電容器之低側電極帶至接地，則自舉式電容器不完全充電，並且高側FET之閘極端子不會達到大於供應電壓之一電壓以使高側FET處於通態以供半橋電路之妥善作用。因此，期望可在一多位準電力轉換器拓樸結構中使用之一功率FET驅動器。
圖1係帶有一同步自舉式高側閘極驅動器電路之一習知半橋積體電路(IC)設計。圖1之半橋IC設計100包括高側FET 102及低側FET 112，其受到控制以將SW節點處之供應切換式電力供應至一負載116，負載116係以一降壓轉換器拓樸結構連接至一電感器118及一電容器120。
高側FET 102係由一高側閘極驅動器104驅動，兩者都是在一隔離井106內形成。高側閘極驅動器104從一位準偏移器108接收一高側輸入信號，位準偏移器108係由邏輯轉譯器與開機重設(POR)電路系統110控制，其進而係由高側輸入控制信號「HSin」及低側輸入控制信號「LSin」控制。低側FET 112係由一低側閘極驅動器114驅動，低側閘極驅動器114基於高側信號「HSin」及低側信號「LSin」從邏輯轉譯器與POR電路系統110接收一控制信號。
在圖1之半橋IC電路中，包括位準偏移器108及高側閘極驅動器104之高側電路元件用之供應電壓係由包括自舉式電容器122及自舉式二極體124之一同步自舉式電路提供。自舉式電容122係在一高側輸入信號「HSin」隨著高側FET 102阻斷處於一邏輯階0，並且一低側輸入信號「LSin」隨著低側FET 112接通處於一邏輯階1時，透過一二極體124，藉由一供應電壓Vdd充電。因此，SW節點係切換至接地，並且自舉式電容器122透過二極體124充電以獲得一電壓Vdd減去其兩端之二極體壓降。這進而產生一電壓VddF，亦即Vdd減去高於SW節點處之電壓的二極體壓降。當「HSin」處於一邏輯階1時，VddF確保高側FET 102之閘極對源極電壓高到足以接通電晶體。
圖1之半橋IC設計100並不適用於所有電力轉換器拓樸結構。特別的是，半橋IC設計100不能用在多位準電力轉換器中，因為在此類拓樸結構中，SW節點非一律切換至接地。結果是，同步自舉式電容器122不能由Vdd完全再充電，並且半橋IC設計100可能無法妥善作用。另外，透過二極體124為同步自舉式電容器122充電由於與二極體124相關聯之電壓降而使VddF降低。為了解決此後者問題，在圖2之半橋IC設計中，二極體124(圖1)係置換為由一同步自舉式驅動器242驅動之一同步自舉式FET 240，同步自舉式驅動器242係由邏輯轉譯器與POR電路系統210控制。
在圖2之同步自舉式電路中，消除與圖1之二極體124相關聯之電壓 降，使得VddF-VSW~Vdd。然而，如圖1之電路，同步自舉式驅動器242必須具有大於Vdd之一輸出邏輯1電壓以接通高側FET 202。因此，如圖1所示之半橋IC設計100，圖2所示之半橋IC設計200不能在多位準電力轉換器中實施。
圖3係電路圖，其示出適用於GaN技術之一同步自舉式驅動器300。同步自舉式驅動器300係揭示於美國專利第No.9,667,245號中，其包括一FET 304及電容器306。當低側閘極驅動器314處於邏輯階0(0V)時，電容器306係充電至大約Vdd-Vth，其中Vth係FET 304之臨界電壓。當低側閘極驅動器314處於邏輯階1(Vdd)時，同步自舉式FET 320之閘極處之同步自舉式電壓VSB大約係2Vdd-Vth。因此，同步自舉式FET 320之閘極係以Vdd-Vth之一閘極對源極電壓接通。然而，由於同步自舉式FET 320之臨界電壓Vth可變化較大量，Vdd-Vth之一閘極對源極電壓可不足以接通同步自舉式FET 320。
因此，期望提供一種功率FET驅動器，其克服上述先前技術之缺點，並且可通用實施而無上述缺點。特別的是，期望提供一種功率FET驅動器IC，其可通用實施以驅動任何功率FET驅動器拓樸結構中之功率FET。
本發明藉由提供可在任何功率FET驅動器拓樸結構中通用實施之一功率FET驅動器架構，克服上述缺點並實現上述目的。
更具體而言，如本文中所述，本發明係一種閘極驅動器電路，其將一同步自舉式電路整合在一積體電路之一隔離井中，使得連接至該同步自舉式電路(且連接至一電力轉換器之對應開關節點)之同步自舉式電容器能隨著對應開關節點浮動。由於此特徵，一個同步自舉式電容器上之電壓可用於為連接至一不同開關節點之一單獨隔離井中之另一(更高階)同步自舉式電路之同步自舉式電容器充電。結果是，不同隔離井中之同步自舉式電路用之供應電壓全都可藉由單一接地參考供應Vdd來供應。因此，本發明可用於實施各種電力轉換器 拓樸結構，包括多位準轉換器。
本發明之附加特徵及優點將在下面之說明中提出，並且部分經由本說明將明顯可知，或者可藉由本發明之實踐而得知。本發明之特徵及優點可藉助隨附申請專利範圍中特別指出之手段及組合來實現及取得。本發明之這些及其他特徵經由以下說明及隨附申請專利範圍將變得更加完全顯而易見，或者可藉由如下文所提之本發明之實踐來得知。
100,200:半橋IC設計
102,202:高側FET
104:高側閘極驅動器
106:隔離井
108,412:位準偏移器
110,210:邏輯轉譯器與POR電路系統
112:低側FET
114,314:低側閘極驅動器
116:負載
118:電感器
120,306:電容器
122:自舉式電容器
124:二極體
242,300:同步自舉式驅動器
304,404,504a,504b:功率FET
320,402,502a,502b,1102:同步自舉式FET
400:功率FET驅動器電路
401:功率FET閘極驅動器電路
406:閘極驅動器
408,508a,508b,708a,708b,708c,708d:同步自舉式閘極驅動器
410:反及(NAND)閘/邏輯閘
414:邏輯轉譯器/開機重設電路系統
500a:低側功率FET驅動器積體電路
501a:低側同步閘極驅動器電路
501b:高側同步閘極驅動器電路
506b:閘極驅動器電路系統
700:三階降壓電力轉換器
701b,701c,701d:同步閘極驅動器電路
702a,702b,702c,704a,704b,704c,704d,903,903a,903b,903n,907a,1104:FET
900:同步自舉式驅動器電路
901:經級聯主動自舉式閘極驅動器電路
902:自舉式FET
1100:經合併同步自舉式驅動器電路
本發明之優點及特徵在搭配附圖閱讀本發明之較佳實施例之以下說明時將變得顯而易見，其中：圖1係帶有一同步自舉式電路之一習知半橋降壓轉換器；圖2係帶有一同步自舉式FET之一習知半橋降壓轉換器；圖3示出適用於GaN技術之一同步自舉式驅動器；圖4示出本發明之通用功率FET驅動器電路；圖5示出本發明之通用功率FET驅動器電路之一降壓轉換器實作態樣；圖6係圖5之電路用之一時序圖；圖7示出使用本發明之多個通用功率FET驅動器電路的一三階電力轉換器IC；圖8A及8B係圖7之電路用之時序圖；圖9示出併入一經級聯拓樸結構之本發明之同步自舉式驅動器；圖10示出圖9之電路之一修改，其中兩個自舉式電容器及兩個FET合併；以及圖11示出帶有一寬切換範圍之圖10之電路之一修改。
要瞭解的是，本發明之圖式及說明可已簡化以僅例示為清楚理解本案實施例相關之元件。所屬技術領域中具有通常知識者將認知為了實施例本案實施例而可能期望及/或需要之其他元件。也要瞭解的是，這裡所包括之圖式僅提供本發明目前較佳實施例之圖解表示型態。現將參照圖式，其中相似結構係以相似參考稱呼提供。
圖4示出本發明之通用功率FET驅動器IC之基本架構。通用功率FET驅動器IC 400包括設置在一隔離井中、由邏輯轉譯器及開機重設電路系統414控制之本發明之功率FET閘極驅動器電路401、以及一位準偏移器412(其接收器係設置在該隔離井中)。隔離井係由已知過程所形成，並且提供與IC中之其他半導體電路元件的電氣隔離。本發明之閘極驅動器之電路元件，即同步自舉式FET 402、一功率FET 404、用於驅動功率FET 404之一閘極驅動器406、用於驅動同步自舉式FET 402之一同步自舉式閘極驅動器408、反及(NAND)閘410、及位準偏移器412之接收器，全都整合在單一隔離井中。在本發明之較佳實施例中，本發明之同步自舉式閘極驅動器係以GaN技術實施。
在本發明之功率FET驅動器IC之操作中，邏輯轉譯器/開機重設電路系統414接收一輸入控制信號「in」，並且對位準偏移器412產生一對應控制信號。位準偏移器412基於輸入控制信號「in」產生一經位準偏移邏輯0輸出或一經位準偏移邏輯1輸出。位準偏移器412之邏輯0或邏輯1輸出係設置為連至邏輯閘410及閘極驅動器406之一輸入。
當位準偏移器412產生一邏輯1時，FET 404接通，並且VH係短接至VL。在圖4所示之基本電路中，VL接地，因此接通FET 404將VH連接至接地。NAND閘410之兩輸入都還接收邏輯1，使得NAND閘410產生輸入至同步自舉式閘極驅動器408之一邏輯0，以使得閘極驅動器408向FET 402之閘極產生一邏輯1。結果是，FET 402接通，並且同步自舉式電容器CSB從供應電壓VddF充電。
當位準偏移器412產生一邏輯0時，FET 404阻斷，並且VH與VL斷開。NAND閘410之兩輸入都還接收邏輯0，使得NAND閘產生輸入至同步自舉式閘極驅動器408之一邏輯1，其向FET 402之閘極產生一邏輯0。結果是，FET 402阻斷，並且儲存在同步自舉式電容器CSB上之電壓VddF可用於供電給一不同隔離井中之類似閘極驅動電路系統，如圖5及7所示。圖4之電路之該特徵允許其通用於適合以許多不同拓樸結構實施電力轉換器之一架構中，其包括多位準轉換器。
提供NAND閘410以在功率FET 404阻斷之前提前同步開機驅動器408之阻斷，並在在功率FET 404接通之後延遲同步自舉式驅動器408之接通。NAND閘藉此防止一同步自舉式電容器在電力轉換器之空檔時間內過度充電。
圖5係一半橋降壓轉換器實作態樣，其使用兩個帶有一同步自舉式電容器CSB1之圖4之通用功率FET驅動器積體電路。低側功率FET驅動器積體電路500a(底部)包括低側功率FET 504a，並且接收一低側輸入控制信號「LSin」。高側功率FET驅動器積體電路(頂部)包括高側功率FET 504b，並且接收一高側輸入控制信號「HSin」。低側同步閘極驅動器電路501a包括同步自舉式FET 502a、同步自舉式閘極驅動器508a、及功率FET 504a，係設置在隔離井1中，並且係由供應電壓Vdd供電。高側同步閘極驅動器電路501b包括同步自舉式FET 502b、同步自舉式閘極驅動器508b、及功率FET 504b，其係設置在隔離井2中，並且係由同步自舉式電容器上之電壓VF1供電，而不是由Vdd供電。因此，隔離井2中之同步自舉式電容器上儲存之電壓係由隔離井1中之同步自舉式電容器上儲存之電壓充電。
圖6係圖5之電力轉換器用之一時序圖。於條件c1，當提供一邏輯1作為一低側輸入信號「LSin」，並且提供一邏輯0作為一高側輸入信號「HSin」時，同步自舉式FET 502a及低側功率FET 504a兩者都接通，並且同步自舉式電容器CSB1充電至Vdd。
於條件c2，控制輸入進行切換，使得提供一邏輯0作為一低側輸入信號「LSin」，並且提供一邏輯1作為一高側輸入信號「HSin」。低側同步自舉式FET 502a及低側功率FET 504a兩者都阻斷，而高側同步自舉式FET 502及高側功率FET 504b兩者都接通，使Vin在短接至開關節點SW，驅動負載。自舉式電容器CSB1上之電壓，即VF1，包含輸入電壓Vin與所儲存供應電壓Vdd之加性組合，其供電給隔離井2中之閘極驅動器電路系統506b。
條件c3與條件c1實質相同，並且同步自舉式電容器CSB1係再次由Vdd充電，並且重複循環。
圖7示出一三階降壓電力轉換器700，其包括四個圖4之功率FET驅動器電路400、三個同步自舉式電容器CSB1、CSB2、及CSB3、以及一電容器CM。雖然圖7繪示用以形成一三階轉換器之四個功率FET驅動器電路400，仍可如圖7所示實施可在圖4中繪示之任意N倍個功率FET驅動器電路400以形成一(N-1)級轉換器。
如圖7所示，同步自舉式電容器CSB1、CSB2、及CSB3上之電壓分別為同步閘極驅動器電路701b、701c、及701d提供供應電壓，同步閘極驅動器電路701b、701c、及701d係分別設置在隔離井2、3、及4中，其驅動對應功率FET 704b、704c、及704d。電容器CM在一側連接至FET 704a及FET 704b之源極，並且在另一側連接至FET 704c之汲極及FET 704d之源極，在一三階電力轉換器中提供大約Vin/2之三階電壓位準。
圖8A及8B係時序圖，其針對小於50%之一工作週期(圖8A)及大於50%之一工作週期(圖8B)，示出圖7之三階轉換器中三個自舉式電容器CSB1、CSB2、及CSB3、以及相應充電電壓VF1、VF2與VF3及開關節點電壓SW1、SW2與SW3之充電。
在圖8A中，對於第一欄中之條件，in1及in2兩者都導通。因此， 驅動器708a及708b之輸出處於邏輯1。結果是，CSB1將由Vdd透過FET 702a充電，並且CSB2將由VF1透過FET 702b充電。對於第二欄中之條件，僅in2處於導通。因此，僅驅動器708b之輸出處於邏輯1。結果是，CSB2將由VF1透過FET 702b充電。對於第三欄中之條件，in1及in2兩者都處於導通，與第一欄上之條件類似。因此，驅動器708a及708b之輸出處於邏輯1。結果是，CSB1將由Vdd透過FET 702a充電，並且CSB2將由VF1透過FET 702b充電。對於第四欄之條件，in1及in3處於導通。因此，驅動器708a及708c之輸出處於邏輯1。結果是，CSB1將由Vdd透過FET 702a充電，並且CSB3將由VF2透過FET 702c充電。第五欄中之條件與第一欄中之條件實質相同，並且重複循環。
在圖8B中，對於第一欄中之條件，in3導通。因此，驅動器708c之輸出處於邏輯1。結果是，CSB3將由VF2透過FET 702c充電。對於第二欄上之條件，in2處於導通。因此，驅動器708b之輸出處於邏輯1。結果是，CSB2將由VF1透過FET 702b充電。對於第二欄中之條件，in3處於導通，與第一欄上之條件類似。因此，驅動器708c之輸出處於邏輯1。結果是，CSB3將由VF2透過FET 702c充電。對於第四欄之條件，in1及in3處於導通。因此，驅動器708a及708c之輸出處於邏輯1。結果是，CSB1將由Vdd透過FET 702a充電，並且CSB3將由VF2透過FET 702c充電。第五欄上之條件與第一欄中之條件實質相同，並且重複循環。
圖9為本發明之通用功率FET驅動器之同步自舉式驅動器電路示出一經級聯主動自舉式拓樸結構900。圖9之經級聯主動自舉式閘極驅動器電路901透過電容器CD驅動自舉式FET 902之閘極，可用於同步自舉式閘極驅動器408(圖4中)、同步自舉式閘極驅動器508a及508b(圖5中)、以及同步自舉式閘極驅動器708a、708b、708c及708d(圖7中)。
圖9之經級聯主動自舉式閘極驅動器拓樸結構組合美國專利申請案公開第2023/0179203號中揭示之主動自舉式閘極驅動器電路系統、以及美國專 利第10,790,811號中揭示之經級聯自舉式閘極驅動器電路系統。當輸入「in」係一邏輯1時，其等於VddF-VL，電容器CD係藉由FET 903充電至大約VddF-VL，因為FET 903a至903n之閘極係藉由電容器C1驅動至大約VddF-VL。請注意，電容器C1藉由FET 903再充電至大約VddF-VL，且當輸入「in」係邏輯0時，電壓VD1等於大約2．(VddF-VL)。
當輸入「in」係邏輯0時，FET 907a之汲極處之經級聯自舉式閘極驅動器之輸出係邏輯1，其等於大約VddF-VL，並且閘極電壓VSB大約係2．(VddF-VL)。因此，同步自舉式FET 902之閘極-源極電壓VGS大約係VddF-VL。由於VddF與VL之間的差異相當於Vdd，同步自舉式FET 902可將VF驅動至大約VddF。
圖10示出與圖9之同步自舉式驅動器電路900類似之一同步自舉式驅動器電路1000，但修改為將自舉式電容器CB1及CD合併成單一自舉式電容器CMERGE，以及將FET 903與903a合併成單一FET 1003。圖9之電路之上述電容器及FET之合併是有可能的，原因在於VD1及VSB大約相同，因為兩者都由相同經級聯自舉式驅動器輸出透過自舉式電容器CB1及CD驅動。結果是，同步自舉式FET 1002可由經級聯自舉式驅動器直接驅動，如圖所示。
圖11示出帶有一寬切換範圍之圖10之經合併同步自舉式驅動器電路之一修改。圖11之經合併同步自舉式驅動器電路1100類似於圖10之同步自舉式驅動器電路1000，但同步自舉式FET 1102之閘極係連接至FET 1104之閘極。
在一些例子中，於電力轉換器之一空檔時間內，切換節點SWn可擺動低於VL數伏特。在此一狀況中，同步自舉式FET 1102可需要在空檔時段開始之前關掉，並且閘極端子電壓VSB亦可需要使一阻斷電壓接近VL，以便防止空檔時段內同步自舉式電容器CSBn過度充電之一可能性。藉由將同步自舉式FET 1102之閘極連接至FET 1104之閘極，閘極端子電壓VSB之電壓擺幅將介於大約2．(VddF-VL)之間以供接通同步自舉式FET 1102，並且將會是0V(參考VL)以供阻斷 同步自舉式FET 1102。因此，空檔時段內接通同步自舉式FET 1102之可能性係藉由圖11之電路達到最小。
總之，本發明之通用功率FET驅動器IC在驅動器IC之隔離井中整合一同步自舉式電路。本發明之架構允許連接至同步自舉式電路(以及連接至一電力轉換器之對應開關節點)之一同步自舉式電容器隨著對應開關節點浮動。由於此特徵，一個同步自舉式電容器上之電壓可用於為連接至一不同開關節點之一單獨隔離井中之另一同步自舉式電路之同步自舉式電容器充電。結果是，不同隔離井中之同步自舉式電路用之供應電壓全都可藉由單一接地參考供應來供應。這允許本發明之通用功率FET驅動器IC架構用於實施各種電力轉換器拓樸結構，包括多位準轉換器，其中電力轉換器之開關節點並非全部切換至接地。
為了減少隔離井中同步閘極驅動器電路用之供應電壓上之壓降，一經級聯主動自舉式驅動器拓樸結構可用於驅動同步自舉式FET。
本發明之同步自舉式驅動器特別適用於使用GaN FET在GaN技術中實施。
本發明可採用其他特性形式來具體實現，但不會脫離其精神或必要特性。所述實施例是要在所有方面都僅視為說明性且非限制性。因此，本發明之範疇係藉由隨附申請專利範圍指出，而不是藉由前述說明指出。落入申請專利範圍之均等論述之意義及範圍內之所有變更全都要予以囊括在其範疇內。
400:功率FET驅動器電路
401:功率FET閘極驅動器電路
402:同步自舉式FET
404:功率FET
406:閘極驅動器
408:同步自舉式閘極驅動器
410:反及(NAND)閘/邏輯閘
412:位準偏移器
414:邏輯轉譯器/開機重設電路系統
Vdd,VSB,VddF,VF,VH,VL:電壓
in:輸入控制信號

Claims (8)

  1. 一種閘極驅動器積體電路，其包含整合在該閘極驅動器積體電路之一隔離井中之一同步自舉式電路，使得連接至該同步自舉式電路之一同步自舉式電容器能隨著一電力轉換器之一對應開關節點浮動，其中該同步自舉式電路包含一同步自舉式閘極驅動器及由該同步自舉式閘極驅動器所驅動之一同步自舉式FET，該同步自舉式FET係經組配以為該同步自舉式電容器充電。
  2. 如請求項1之閘極驅動器積體電路，其中該同步自舉式閘極驅動器係由該隔離井中之一反及(NAND)閘驅動，其中該NAND閘接收：(i)用於驅動一功率FET之一閘極驅動器之一輸出，以及(ii)用於使一輸入邏輯信號位準偏移之一位準偏移器。
  3. 如請求項1之閘極驅動器積體電路，其係以GaN技術實施。
  4. 如請求項2之閘極驅動器積體電路，其進一步包含邏輯轉譯器及開機重設(POR)電路系統，其中該位準偏移器從該邏輯轉譯器及POR電路系統接收一輸入信號，並且將一經位準偏移輸入信號輸出至該同步自舉式電路。
  5. 如請求項1之閘極驅動器積體電路，其中該同步自舉式電路包含一經級聯同步自舉式閘極驅動器電路。
  6. 一種功率積體電路，其包含複數個同步自舉式電路，其中一相應之同步自舉式電容器係連接至該等同步自舉式電路中之各者，使得該相應之同步自舉式電容器能隨著一電力轉換器之一對應的開關節點浮動，其中該等複數個同步自舉式電路中之各者係整合在一單獨隔離井中，並且其中與位在一個隔離井中之該同步自舉式電路連接之一同步自舉式電容器上所儲存之一電壓為與位在一不同隔離井中之另一同步自舉式電路連接之另一同步自舉式電容器充電。
  7. 如請求項6之功率積體電路，其包含位在單獨隔離井中之如請 求項1之該等同步自舉式電路中之二者，其中該等兩個同步自舉式電路中之一者係一低側同步自舉式電路，並且該等兩個同步自舉式電路中之另一者係一高側同步自舉式電路，其中該低側同步自舉式電路接收一低側信號以供控制一半橋電路之一低側功率FET，並且該高側同步自舉式電路接收一高側信號以供控制該半橋電路之一高側功率FET，以及其中連接至該低側同步自舉式電路、及與一電力轉換器之一對應開關節點連接之一同步自舉式電容器可隨著該對應開關節點浮動，使得儲存在該同步自舉式電容器上之一電壓能用於供電給該高側同步自舉式電路。
  8. 如請求項6之功率積體電路，其係以GaN技術實施。
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