[发明专利]波形转换电路以及栅极驱动电路

说明书

技术领域

本发明涉及用以驱动开关元件的栅极端的栅极驱动电路。

背景技术

氮化镓元件与现存的硅元件相比极具潜力，且如预期地实际使用。标准的氮化镓场效晶体管为常开型(normally-on)元件，因此需要负电源将其关断。另一方面，常闭型氮化镓场效晶体管难以生产，而常闭型氮化镓场效晶体管具有约为+1V的临界电压，该临界电压与现存的硅金氧半场校晶体管的临界电压相比非常低。这是常闭型氮化镓场效晶体管的第一个问题。

再者，因常闭型氮化镓场效电晶耐压较低，当高电压施加于常闭型氮化镓场效晶体管的栅极端时，常闭型氮化镓场效晶体管很容易损毁，使得常闭型氮化镓场效晶体管无法采用一般的驱动集成电路来使用。这是常闭型形氮化镓场效晶体管的第两个问题。由于这两个问题，硅金氧半场校晶体管(如，绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT))的栅极驱动电路不能直接用来驱动常闭型氮化镓场效晶体管。也就是，常闭型氮化镓场效晶体管需要独特的栅极驱动电路。

关于第一个问题，当将足够小于约+1V的临界电压的电压(最好的方式是低于0V的负电压)施加于常闭型氮化镓场效晶体管的栅极端时，常闭型氮化镓场效晶体管的关断时间会缩短。因此，用负电压来驱动常闭型氮化镓场效晶体管是较洽当的设计。然而，尽管实现用负电压来关断常闭型氮化镓场效晶体管需要负电压源，但负电压源的设计往往是不受电子产品设计者较欢迎的。

关于第二问题，当将足够大于临界电压的一电压施加于常闭型氮化镓场效晶体管的栅极端时，常闭型氮化镓场效晶体管的导通时间会被缩短。更确切地说，缩短导通时间需要瞬间大电流，并且产生如此的大电流最好的实现方式是利用较高的电压。然而，却不能直接将用于硅金氧半场效晶体管的高电压(如，10V)施加于常闭型氮化镓场效晶体管的栅极端，原因是高电压会损坏常闭型氮化镓场效晶体管。

因此，极需波形转换电路用来将硅金氧半场效晶体管的栅极驱动电压转换成适用于常闭型氮化镓场效晶体管的栅极驱动电压，而且不会降低切换速度，并且该波形转换电路能够适用于任何类型的晶体管。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一波形转换电路用以将适用于硅金氧半场效晶体管(Si MOSFET)的栅极驱动电压转换至常闭型氮化镓场效晶体管(GaN FET)，而且不会降低切换速度亦不须提供额外负电压源来关断常闭型氮化镓场效晶体管。

有鉴于此，本发明提出一种波形转换电路，用以将来自一控制器的一控制信号施加至一开关元件的一栅极端，藉此将上述开关元件导通以及关断，其中上述开关元件具有上述栅极端、一漏极端以及一源极端。上述波形转换电路包括：一并联电路以及一电压箝位单元。上述并联电路包括一第一电容以及一第一电阻，其中上述并联电路耦接于上述控制器以及上述开关元件的上述栅极端之间。上述电压箝位单元耦接于上述开关元件的上述栅极端以及上述源极端之间，且用以箝制上述栅极端以及上述源极端之间的跨压。

根据本发明的一实施例，上述控制信号的范围是自一高电压电平至一低电压电平，一第一电压是转换自上述控制信号的上述低电压电平，一第二电压是转换自上述控制信号的上述高电压电平。

根据本发明的一实施例，波形转换电路将上述控制信号转换至一驱动信号，上述驱动信号的范围是自上述第二电压至上述第一电压。

根据本发明的一实施例，上述第一电压是不大于上述低电压电平。

根据本发明的一实施例，上述第二电压是不大于上述高电压电平。

根据本发明的一实施例，上述电压箝位单元包括：一齐纳二极管。上述齐纳二极管包括一阳极端以及一阴极端，其中上述阳极端耦接至上述开关元件的上述源极端，上述阴极端耦接至上述开关元件的上述栅极端，其中上述第一电压是由上述齐纳二极管的一顺向导通电压所决定，上述第二电压是由上述齐纳二极管的一反向崩溃电压所决定。

根据本发明的另一实施例，上述电压箝位单元包括：一齐纳二极管。上述齐纳二极管包括一阳极端以及一阴极端，其中上述阳极端是耦接至上述开关元件的上述栅极端，上述阴极端是耦接至上述开关元件的上述源极端，其中上述第一电压是由上述齐纳二极管的一反向崩溃电压所决定，上述第二电压是由上述齐纳二极管的一顺向导通电压所决定。

根据本发明的又一实施例，上述电压箝位单元包括：一二极管。上述二极管包括一阳极端以及一阴极端，其中上述阳极端是耦接至上述开关元件的上述栅极端，上述阴极端是耦接至上述开关元件的上述源极端，其中上述第二电压是由上述二极管的一顺向导通电压所决定。