基于半导体的晶体管的电压栅极驱动器、功率开关器件及相应方法与流程

本发明大体上涉及用于基于半导体的晶体管的栅极驱动器，且更具体地，涉及增加基于半导体的晶体管的有效阈值电压。

背景技术：

1、一些基于半导体的晶体管具有本征特性，即，与例如基于硅的金属氧化物半导体场效应晶体管mosfet相比，它们的阈值电压相对较低。对于增强型氮化镓高电子迁移率晶体管gan hemt和碳化硅mosfet尤其如此。例如，当在晶体管的源极和漏极之间形成导电沟道时，阈值电压可以被认为是晶体管的栅极处的电压。

2、施加在基于半导体的晶体管的栅极端子和源极端子之间的电压控制晶体管的源极端子和漏极端子之间的导电沟道的电阻。如果hemt的栅极-源极端子近似为零，则hemt被断开并且导电沟道的电阻非常高。如果hemt的栅极-源极端子高于其额定阈值电压，则hemt导通并且导电沟道的电阻非常低，通常在mω范围。

3、因此，hemt可以表现出几乎理想的受控开关的特性。因此，hemt作为开关模式电源中的功率开关具有广泛的适用性。通常，这些hemt和其它基于半导体的晶体管具有其阈值电压低得多的特性，并且现有技术尚未找到显著增加它的方法。

4、典型的高压hemt具有1v至1.5v范围内的阈值电压，而相应的基于硅的mosfet可以被设计为具有4v或甚至更大的阈值电压。这种低阈值电压可能是不利的，尤其是对于高功率、高压离线ac-dc(alternating current-direct current，交流-直流)和其它高压开关模式电源，因为这些可能产生大量的开关噪声，这些开关噪声可能耦合到hemt的栅极-源极电路中，并且可能导致假的hemt导通和断开。

5、本公开提供了一种针对上述问题的解决方案。

技术实现思路

1、下面阐述了本文公开的某些示例的方面的概述。应当理解，这些方面仅被呈现以向读者提供这些特定实施例的简要概述，并且这些方面不旨在限制本公开的范围。实际上，本公开可以涵盖可能未阐述的各种方面和/或方面的组合。

2、本公开的目的是提供一种用于基于半导体的晶体管的电压栅极驱动器，其能够偏移hemt的断开状态电压，从而有效地增加栅极-源极电压，使得其较不易受噪声影响。本公开的另一目的是提供一种对应的功率开关器件和相关方法。

3、在第一方面，提供了一种用于基于半导体的晶体管的电压栅极驱动器，所述电压栅极驱动器包括：

4、电压发生器电路，其被布置用于接收驱动电压，所述电压发生器电路包括与齐纳二极管串联连接的电容器，其中，所述齐纳二极管的阴极被布置成连接到所述基于半导体的晶体管的栅极；

5、偏置电流电路，其并联连接在所述电容器上，其中所述偏置电流电路包括开关，并且被布置为基于所述开关的状态向所述齐纳二极管的所述阴极提供偏置电流，其中，所述偏置电流电路被布置为当所述开关处于闭合状态时向所述齐纳二极管的所述阴极提供所述偏置电流，并且被布置为当所述开关处于断开状态时防止向所述齐纳二极管的所述阴极提供所述偏置电流。

6、发明人发现，每当hemt的栅极未被驱动时，向hemt的栅极提供偏移电压可能是有用的。这在hemt用作开关的情况下尤其有用，其中驱动电压将开关导通或断开。因此发现，当驱动电压使得开关被断开时，可以向hemt的栅极提供偏移电压。

7、上述内容是通过电压发生器电路实现的。电压发生器电路被布置成接收驱动电压，并且包括与齐纳二极管串联连接的电容器，齐纳二极管的输出被布置成连接到基于半导体的晶体管(即，开关)的栅极。

8、齐纳二极管可经选择以使得其击穿电压加上与齐纳二极管串联连接的二极管的任何正向电压近似等于基于半导体的晶体管的导通状态电压。对于hemt，这通常可以是5v到6v。

9、以上有效地实现的是，电容器两端的电压等于驱动电压减去基于半导体的晶体管的导通状态电压。然而，每当驱动电压变为零时，电容器将保持其电荷，并且相应的电压将以相反的极性出现在hemt的栅极两端。因此，这有效地在基于半导体的晶体管的栅极处建立偏移电压。

10、发明人已经发现上述解决方案可能具有缺点。主要缺点是用于此目的典型的齐纳二极管可能非常不准确。齐纳二极管的击穿电压强烈地依赖于流过齐纳二极管的电流。本质上，基于半导体的晶体管的栅极电容一充电，齐纳二极管的阴极处的输出电压就会下降到非常低的值。结果是基于半导体的晶体管可能无法适当保持导通。

11、已经发现，引入偏置电流电路可能是有益的。偏置电流电路被布置为向齐纳二极管提供偏置电流，以减轻上述缺点。偏置电流可并联连接在电容器上，使得电容器通过偏置电流电路缓慢向齐纳二极管放电。

12、除了上述之外，发明人已经发现，每当驱动电压下降到零时，电容器可以在偏置电流电路上完全放电或接近完全放电。这是不利的，因为这将减小基于半导体的晶体管的栅极处的偏移电压。这个问题对于降低工作频率和占空比可能变得更糟。

13、因此，发明人发现在偏置电流电路中引入开关，其中偏置电流电路被布置为当所述开关处于闭合状态时向所述齐纳二极管的所述阴极提供所述偏置电流，并且被布置为当所述开关处于断开状态时防止向所述齐纳二极管的所述阴极提供所述偏置电流。

14、主要的好处是在基于半导体的晶体管的断开状态期间，不需要流经齐纳二极管的偏置电流，使得可以整体禁用偏置电流电路。这是通过偏置电流电路的开关来实现的，并且这确保了偏移电压不会缓慢地减小，因为电容器不会在偏置电流电路上缓慢地放电。

15、在基于半导体的晶体管的导通状态期间需要齐纳二极管的精度，使得如果在导通状态期间将偏置电流提供给齐纳二极管，则是有益的。这样，偏置电流电路的开关将闭合以确保偏置电流被提供给齐纳二极管。

16、上述所提出的解决方案的优点是：1)在基于半导体的晶体管的导通状态期间使齐纳二极管可获得偏置电流，从而使齐纳二极管更准确，以及2)在基于半导体的晶体管的断开状态期间使节点可获得偏置电流，即，电容器不放电，从而在基于半导体的晶体管的整个断开状态时段期间，确保稳定的偏移电压。

17、在一个示例中，所述开关的栅极被布置为接收所述驱动电压。

18、该示例的优点在于，不需要附加控制电路，其被布置用于在基于半导体的晶体管的预期导通状态期间激活开关以及用于在基于半导体的晶体管的预期断开状态期间停用开关。这种驱动电压可以用于这个特定目的。

19、偏置电流电路的开关可以是例如金属氧化物半导体场效应晶体管mosfet。

20、mosfet可以是自偏置的，使得当由驱动电压驱动时，它在正确的时间自动导通和断开。通常，p沟道mosfet将优选用于该目的。

21、mosfet通常是一种绝缘栅场效应晶体管，其由半导体材料(例如硅或碳化硅材料)制成。栅极端子处的电压决定了器件的导电性。偏置电流电路的mosfet可以用作开关，使得器件的导电性是完全导电的或完全电阻性的。

22、在另一示例中，偏置电流电路包括与所述开关串联连接的电阻器。

23、偏置电流电路并联连接在电压发生器电路的电容器上。这意味着电容器可以在电阻器上放电，从而向齐纳二极管提供偏置电流。然后，停用开关，以确保无论何时驱动电压打算断开基于半导体的晶体管时，都没有偏置电流流到齐纳二极管。

24、在一个示例中，电压栅极驱动器被布置用于驱动氮化镓高电子迁移率晶体管ganhemt。

25、通常，在gan hemt的断开状态期间，向gan hemt的栅极提供负偏移电压。

26、在另一示例中，电压驱动器还包括：

27、上升和下降时间控制电路，其被布置为用于接收所述驱动电压并且用于减少所述接收到的驱动电压的上升和/或下降时间。

28、在另一示例中，所述齐纳二极管的阳极接地。电压驱动器可进一步包括二极管，其中所述齐纳二极管的所述阳极经由所述二极管接地。

29、注意，根据本公开，无论在何处提及部件连接到第二部件，都不意味着这些部件需要直接彼此连接。根据通常的实践，这些部件直接或间接地彼此连接，使得其它部件可以放置在这些连接的部件之间。

30、在本公开的第二方面中，提供了一种功率开关器件，例如开关模式电源smps，其包括根据任何先前示例的基于半导体的晶体管和电压驱动器。

31、注意，如参考本公开的第一方面(即，电压栅极驱动器)所解释的优点也适用于本公开的第二方面(即，功率开关器件)。

32、在一个示例中，功率开关器件的基于半导体的晶体管是氮化镓高电子迁移率晶体管gan hemt。

33、存在根据本公开可应用的不同类型的开关模式电源，即降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器、逆向转换器、正向转换器等。开关模式电源可以具有或者可以不具有包括变压器的隔离拓扑。

34、在本公开的第三方面中，提供了一种操作根据先前示例中的任一个的电压驱动器的方法，其中所述方法包括以下步骤：

35、当所述开关处于所述闭合状态时，通过所述偏置电流电路向所述齐纳二极管的所述阴极提供所述偏置电流，以及

36、当所述开关处于所述断开状态时，通过所述偏置电流电路防止所述偏置电流被提供到所述齐纳二极管的所述阴极。

37、注意，如参考本公开的第一方面(即，电压栅极驱动器)所解释的优点也适用于本公开的第二方面(即，操作电压驱动器的方法)。

38、尽管这里参考由正栅极电压而导通的n沟道器件描述了该技术方案，但是它也适用于所有电压都反转的p沟道器件。例如，它可以应用于p沟道mosfet，其中通常的零到负栅极驱动电压可以在器件的断开时间期间被偏移到零以上以使其为正，并且增加mosfet的效应阈值电压。

39、结合附图描述本公开。要强调的是，根据工业中的标准实践，各种特征没有按比例绘制。事实上，为了讨论的清楚，各种特征的尺寸可以任意地增加或减小。

40、在附图中，类似的组件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，相同类型的各种组件可通过在附图标记之后加上破折号和区分类似组件的第二标号来区分。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的类似组件中的任一个，而与第二附图标记无关。

41、参考下文描述的示例，本公开的上述和其他方面将是显而易见的并且将被阐明。