用于驱动晶体管的系统和方法
【专利说明】用于驱动晶体管的系统和方法
[0001]相关串请的交叉参考
[0002]本申请涉及以下共同未决和共同受让的专利申请:_提交的代理案号为
INF 2014 P 50933 US的序列号_，其全部内容以引用的方式引入本申请。
技术领域
[0003]本发明总体上涉及电子设备，更具体地，涉及用于驱动晶体管的系统和方法。
【背景技术】
[0004]高压切换晶体管(诸如功率M0SFET、结型场效应晶体管(JFET)和氮化镓(GaN)高电子迀移率晶体管(HEMT))通常被用作高压和高功率设备(诸如切换模式电源、电机控制器和以及高压和高功率切换电路)中的半导体开关。这些器件中的一些(诸如GAN HEMT)具有以非常高的电压进行操作而没有器件被击穿或损伤的能力。
[0005]—些器件(诸如JFET和GAN HEMT)可以被制造为具有负阈值电压，从而在这些晶体管的栅极和源极两端为零电压时使器件导通。这种器件因此被称为“常导通”器件或晶体管，因为这些器件在零偏置条件下有效导通。当使用这种常导通器件时，通常规定来确保生成电压以保证常导通器件可以关断。例如，在开关模式电源中使用的驱动器电路中，根据需要生成或提供负电压，其具有充分低于常导通器件的阈值的电压，来确保器件实际上关断。
【发明内容】
[0006]根据一个实施例，一种用于驱动切换晶体管的控制端的电路包括驱动器，驱动器具有被配置为耦合至切换晶体管的控制端的输出端、被配置为耦合至浮置电源的第一端的第一电源端、被配置为耦合至浮置电源的第二端的第二电源端以及被配置为接收切换信号的切换输入端。该电路还包括偏置电路，其具有被配置为耦合至浮置电源的共模控制端的输出端，其中偏置电路被配置为提供依赖于时间的电压。
【附图说明】
[0007]为了更好的理解本发明及其优势，结合附图进行以下描述，其中:
[0008]图1a至图1c示出了传统的切换驱动系统；
[0009]图2示出了根据一个实施例的切换驱动系统；
[0010]图3示出了根据另一实施例的切换驱动系统；
[0011]图4示出了根据又一实施例的切换驱动系统；
[0012]图5示出了复制件晶体管电路的实施例；以及
[0013]图6示出了实施例方法的流程图。
[0014]不同附图中的对应数字和符号通常表示对应的部件，除非另有指定。绘制附图以清楚地示出优选实施例的相关方面并且不需要按比例绘制。为了更清楚地示出特定实施例，表示相同结构、材料或处理步骤的变化可以跟随附图的数字。
【具体实施方式】
[0015]以下详细讨论优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了可以在各种具体条件下实施的许多可应用发明概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。
[0016]将参照用于驱动常导通切换晶体管的系统和方法的具体条件中的实施例描述本发明。本发明的实施例还可以应用于利用常导通晶体管的各种系统，诸如切换模式电源、电机控制器和其他电路。实施例还可以涉及驱动常关断晶体管。
[0017]在本发明的实施例中，电路被配置为驱动切换晶体管的控制端。切换晶体管可以具有负阈值，诸如JFET、氮化镓(GaN) HEMT、耗尽模式MOSFET或其他具有负阈值的晶体管，或者可以具有正阈值，诸如增强模式M0SFET。驱动器包括耦合至浮置电源的电源端。浮置电源可以产生耦合至驱动器的电源端的正电压和负电压。在操作期间，驱动器施加浮置电源的正电压以导通切换晶体管，并施加浮置电源的负电压以关断切换晶体管。还设置共模偏置电路以偏置浮置电源的共模或平均电压。在一些实施例中，这种共模电压可以产生依赖于时间的电压，其可以取决于各种参数。
[0018]在一个具体实例中，这种共模电压可以依赖于被驱动的晶体管或者其复制器件的阈值。在一个这样的实施例中，共模电压被设置为处于或者大约为切换晶体管的阈值。本发明的实施例可以应用于具有负、正和/或零阈值的驱动切换晶体管。
[0019]图1a示出了传统的切换驱动系统100，其包括电压源106、驱动电路104和常关断晶体管102。如图所示，从与晶体管102的源极电位S相关的电压源106向驱动器104提供固定电压VP。晶体管102的阈值电压Vth是栅极-源极电压电平，其限定“导通”和“关断”状态之间的转换。在“常关断”晶体管102中发现正阈值Vth的情况下，所示电源方案利用单个正电压源106。在系统100的操作期间，驱动器104在常关断晶体管102的栅极G处施加电压VP。如果电压VP大于常关断晶体管102的阈值Vth，则常关断晶体管102导通。类似地，如果电压源106的负端处的电压被施加给常关断晶体管102的栅极G，则常关断晶体管关断。
[0020]图1b示出了传统的切换驱动系统120，其包括电压源126、驱动电路124和常导通晶体管122。如图所示，从与晶体管122的源极电位S相关的电压源126向驱动电路124提供固定电压VN。类似于图1b所示的常关断晶体管102，晶体管122的阈值电压Vth是栅极-源极电压电平，其限定“导通”和“关断”状态之间的转换。然而，在常导通晶体管122的情况下，该阈值Vth是负电压，意味着常导通晶体管122的栅极G处的电压被拉至小于源极节点S的电压的电压电位来关断常导通晶体管122。因此，如果电压源126的电压电位VN超过常导通晶体管122的负阈值Vth，则常导通晶体管可以通过在电压源126的负端处施加电压来关断。然而，当常导通晶体管122的栅极-源极电压为零电压时，常导通晶体管122导通。
[0021]在被驱动的晶体管的阈值Vth为低电位或接近地的正或负电压的情况下，双极驱动方案可用于确保晶体管导通和关断。图1c示出了传统的双极切换驱动系统130，其包括正电压源134、负电压源136、驱动电路138和晶体管132。当晶体管132导通时，由正电压源134产生的电压VP被施加给晶体管132的栅极连接G。类似地，当晶体管132关断时，由负电压源136产生的电压VN被施加给晶体管132的栅极连接G。使用这种双极驱动方案可以在阈值Vth为低电压时提高切换性能，并且可以提供裕度来确保晶体管132适当地切换。例如，如果晶体管132的阈值Vth大约为IV，则具有12V的正电源的驱动晶体管132可以提供对称驱动电压。在这种情况下，使用负电压源136帮助确保晶体管132利用充分的过驱动而关断。
[0022]由于晶体管的阈值Vth可以随温度变化、工艺变化、统计变化、漂移效果和其他因素而改变，所以通常在传统驱动电路的设计中考虑这些变化。例如，如果常导通晶体管的阈值Vth在-5V和-9V之间改变，则传统系统中的负电源提供被配置为提供足够的过驱动来关断晶体管的负电压。在该实例中，当常导通晶体管的阈值Vth为-9V时，在最坏的情况下-1lV的负电压提供2V的过驱动来关断晶体管。
[0023]在一个实施例中，用于栅极驱动器的电源与对应于切换阈值的栅极电位相关，例如，VG = VS+Vth。换句话说，驱动电平与VS+Vth相关而非直接与VS相关。因此，正栅极驱动电平(“on”)可以表示为Vth+VP (正过驱动)，并且负电平(“off”)可以表示为Vth-VN。然而，在真正的操作条件下，由于温度和其他漂移效果的变化，瞬时阈值Vth可以随时间变化。
[0024]图2示出了切换驱动系统200，其包括正电压源206、负电压源208、驱动电路204和晶体管202。晶体管202可以使用各种类型的晶体管来实施。例如，晶体管202可以包括但不限于功率MOSFET晶体管、GaN HEMT、JFET、增强模式M0SFET、耗尽模式MOSFET或双极结晶体管(BJT)。
[0025]在一些实施例中，正电压源206、负电压源208的组合形成浮置电源，其共模电压可以通过向耦合在正电压源206和负电压源208之间的公共节点220施加电压来设置。通