[发明专利]功率晶体管栅极驱动器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于功率晶体管的栅极驱动器，包括第一充电路径，第一充电路径在第一电压电源与功率晶体管的栅极端子之间可操作连接，用于将栅极端子充电到第一栅极电压。第二充电路径可连接在功率晶体管的栅极端子与第二电压电源之间，以将栅极端子从第一栅极电压充电到高于第一栅极电压的第二栅极电压。第二电源电压的电压高于第一电源电压的电压。本发明的另一个方面涉及一种负荷驱动组件，包括与相应功率晶体管电耦接的多个栅极驱动器。负荷驱动组件可用于各种功率放大应用，例如，D级音频放大器。

背景技术

用于D级音频放大器的功率或输出级的功率晶体管的栅极驱动器在本领域中已知。功率晶体管通常包括N沟道场效应晶体管，例如，NMOS或IGBT，均为流行半导体部件，因为其对半导体衬底上的指定印迹或面积消耗的导通电阻较小。由于半导体衬底的制造成本与其面积密切相关，减小面积是降低成本的一个有效方法。

但是，适合这种N沟道场效应晶体管的栅极驱动器的设计由于各种原因而具有挑战性，例如，需要在功率级运行期间将瞬时栅极电压大大提高到N沟道场效应晶体管的漏极电压以上。需要使用较高瞬时栅极电压来完全启动N沟道场效应晶体管。将N沟道场效应晶体管置于完全导通状态或导电状态使其具有较低导通电阻并将导电功率损耗降到最低。由于D级音频放大器中的功率级的最外功率晶体管的漏极端子与通常为正直流电源电压或轨（rail）的形式的直接可用的最高直流电源电压连接，瞬时栅极电压必须在所述功率晶体管的导通状态或导电状态期间大大升高到该最高直流电源电压以上。本领域中已知有用于在每个栅极驱动器中生成这种高栅极电压的自举技术和电路。但是，其依赖于给功率级的N沟道场效应晶体管提供栅极驱动电压的预充电电容器。预充电自举电容器与N沟道场效应晶体管的栅极端子连接时，由于电荷共享的原因，其电压被N沟道场效应晶体管的本征栅极电容大大降低，除非自举电容器的自举电容比本征栅极电容大得多，例如，10或20倍。但是，适合许多类型的功率级的N沟道场效应晶体管的本征栅极电容可非常大，例如，几百pF，根据上述经验法则，导致可接受尺寸的集成自举电容器的电容值达到不切实际的非常大的值，即，电容值从几nF到20nF以上不等。可选地，自举电容器可设置在固定栅极驱动器的半导体芯片外部。但是，这种解决方案不可取，因为功率级拓扑结构，例如，多电平H桥功率级一般包括具有关联栅极驱动器的多个级联或堆叠功率晶体管，每个栅极驱动器需要一个外部自举电容器。这种多个外部自举电容器增加了整个D级放大器解决方案的成本，要求对高价值印制电路板空间进行分配，可靠性存在潜在危险。

由此，非常需要能以最小的外部电容器需求将栅极电压升高到正直流电源电压或轨以上的用于功率晶体管，特别是N沟道场效应晶体管的栅极驱动器。另外，栅极驱动器的较高功率效率在多种应用，例如，用于便携和/或电池供电通信和娱乐设备，例如，移动电话、MP3播放器等的D级音频放大器中具有重大优势。

发明内容

本发明的第一方面涉及用于功率晶体管的栅极驱动器。栅极驱动器包括第一充电路径，第一充电路径可电连接在第一电压电源与功率晶体管的栅极端子之间，用于将栅极端子充电到第一栅极电压。第二充电路径可电连接在第二电压电源与功率晶体管的栅极端子之间，以将栅极端子从第一栅极电压充电到高于第一栅极电压的第二栅极电压。第二电压电源的电压高于第一电压电源的电压。