[发明专利]级联自举GaN功率开关和驱动器

说明书

一种级联自举栅极驱动器，配置成提供高侧功率开关场效应晶体管的快速导通和低静态电流消耗。初级自举级包括电阻器，以减少晶体管关断期间的静态电流消耗。次级自举级包括由初级自举级驱动的具有低导通电阻的GaN FET晶体管。GaN FET晶体管的源极端子被配置为向高侧功率开关FET提供栅极驱动电压。GaN‑FET晶体管的低导通电阻提供了高侧功率开关FET的快速导通。级联自举栅极驱动器中的晶体管优选为增强模式GaN FET，并且可以集成到单个半导体芯片中。

技术领域

本发明一般涉及高侧场效应晶体管(FET)栅极驱动器，更具体地说，涉及具有更快开启时间和更好效率的自举栅极驱动器。

背景技术

典型的高侧FET栅极驱动器依靠电荷泵电路或自举电路向高侧FET的栅极端子提供增加的电压。电荷泵栅极驱动器和自举栅极驱动器将能量存储在电容器中，而相关的高侧FET被关断，并且使用所存储的能量向高侧FET的栅极端子施加大于电源电压的电压，尽管高侧FET的源极端子上的电压升高，仍保持其接通。

图1A-B示出了高侧功率开关的传统的电荷泵栅极驱动器的原理图。在图1A中，系统100包括电荷泵栅极驱动器170、高侧功率开关晶体管185和负载190。电荷泵栅极驱动器170耦接到功率开关晶体管185的栅极端子。功率开关晶体管185的漏极端子耦接到提供电源电压V_dd的电源电压源110，并且功率开关晶体管185的源极端子耦接到输出节点195处的负载190。电荷泵栅极驱动器170接收控制信号CTL 105并基于CTL 105来驱动功率开关晶体管185。CTL 105为逻辑高表示要关闭功率开关晶体管185，而CTL 105为逻辑低表示要接通功率开关晶体管185。基于来自电荷泵栅极驱动器170和CTL 105的输出，功率开关晶体管185充当连接负载190和电源电压源110的闭合开关。

电荷泵栅极驱动器170包括晶体管120、135和165、电阻器130和145以及电容器150。晶体管120的栅极端子接收CTL 105，并且晶体管120的源极端子耦接到接地节点115。晶体管120的漏极端子在节点125处耦接到电阻器130。电阻器130进一步耦接到电源电压源110。晶体管120和电阻器130构成逆变器155。电容器150耦接到节点125和耦接到节点140处晶体管135的源极端子。晶体管135的栅极端子和漏极端子耦接到电源电压源110，将晶体管135配置为二极管。电阻器145在节点140处耦接到晶体管135和电容器150，并在节点160处耦接到晶体管165的漏极端子。晶体管165的栅极端子接收CTL 105，并且晶体管165的源极端子耦接到接地节点115。功率开关晶体管185的栅极端子耦接到节点160。

响应于CTL 105为逻辑高，晶体管120和165充当闭合开关。晶体管165将功率开关晶体管185的栅极端子接地，使得功率开关晶体管185充当开路开关并从电源电压源110断开负载190。电容器150经由晶体管135和120从电源电压源110充电。响应于CTL 105为逻辑低，晶体管120和165充当开路开关。晶体管165充当开路开关，将功率开关晶体管185从接地115断开，这允许节点160上的电压升高到功率开关晶体管185的阈值电压V_Th以上并将其导通。

然后，功率开关晶体管185充当闭合开关，并将负载190连接到电源电压源110。上拉电阻器130使节点125上的电压增加到接近电源电压V_dd。存储在电容器150中的能量通过节点140放电，从而增加节点140上的电压，进而使节点160上的电压高于电源电压V_dd。节点160上高于V_dd的升高的电压和功率开关晶体管185的低导通电阻使功率开关晶体管185在其源极端子上的电压升高到大约V_dd时保持导通。