[发明专利]栅极驱动设备和控制方法

说明书

本申请涉及一种栅极驱动设备及控制方法。一种设备包括：被配置成向高压侧开关提供偏置功率的电容装置；具有连接在所述电容装置和所述高压侧开关的栅极之间的可变电阻的栅极驱动路径，其中具有可变电阻的所述栅极驱动路径响应于所述高压侧开关的接通而具有第一电阻值，并且具有可变电阻的所述栅极驱动路径响应于所述高压侧开关的断开而具有第二电阻值，且其中所述第二电阻值大于所述第一电阻值；以及连接在所述高压侧开关的所述栅极和接地之间的控制开关。

技术领域

本发明涉及一种栅极驱动设备，并且在特定实施例中涉及一种用于反相器的栅极驱动设备。

背景技术

反相器包含串联在电源和接地之间的两个开关。连接到电源的开关通常被称为高压侧开关，而连接到接地的开关通常被称为低压侧开关。高压侧驱动电路和低压侧驱动电路被采用以分别控制高压侧开关的栅极和低压侧开关的栅极。为了接通高压侧开关，高压侧驱动电路可能需要高于电源的电压的栅极电压。这可以利用自举电容器电路来实现。

金泽(Kinzer)(美国专利申请案2017/0222644)公开了一种GaN栅极驱动电路，该栅极驱动电路包含配置用于驱动反相器的高压侧开关的自举电容器。自举电容器通过电阻器连接到高压侧开关的栅极。它还包含连接在高压侧开关的栅极和接地之间的下拉开关。

在操作中，当向逻辑高信号施加到栅极驱动器时，下拉开关被接通。作为结果，高压侧开关的栅极被下拉到接地。下拉开关的接通还建立了在自举电容器和接地之间的漏电流路径。漏电流与连接到自举电容器的电阻器的电阻值成反比。当逻辑低信号施加到栅极驱动器时，下拉开关和低压侧开关两者都断开。根据自举电容器的操作原理，来自自举电容器的较高电压通过电阻器施加到高压侧开关的栅极。高压侧开关的栅极驱动信号的上升时间也与同一电阻器的电阻值成反比。

发明内容

本发明的发明人认识到，在自举电容器和高压侧开关的栅极之间使用单个固定值的电阻器严重损害了反相器装置的性能。一方面，大电阻值将优选用于减小流过电阻器的漏电流，但是另一方面，小电阻值将优选用于改善施加到高压侧开关的栅极驱动信号的上升时间。快速的上升时间和减小的漏电流之间的设计不相容性可能导致设计矛盾。发明人已经识别了这种设计矛盾并努力解决这种设计矛盾。

本发明的一个方面是在自举电容器和高压侧开关的栅极之间包含可变电阻栅极驱动路径。

在操作中，当逻辑高信号施加到栅极驱动电路时，栅极驱动路径的电阻等于R1。当逻辑低信号施加到栅极驱动电路时，栅极驱动路径的电阻等于R2，其远小于R1。这样，R1的较大的电阻值有助于减小漏电流的大小。另一方面，R2的更小电阻值有助于改善施加到高压侧开关的栅极的栅极信号的上升时间。

在本发明的第一实施方案中，栅极驱动路径包括耗尽型晶体管和电阻器。在GaNIC芯片中用GaN晶体管实施耗尽型晶体管，并且电阻器连接在耗尽型晶体管的栅极和源极之间。

响应于施加到栅极驱动电路的逻辑高信号，漏电流流过耗尽型晶体管和电阻器。通过自偏置使流过耗尽型晶体管的电流被夹断，使漏电流自限制。当漏电流等于截止阈值(turn-off threshold)除以电阻器的值时，耗尽型晶体管的栅-源电压等于截止阈值电压。作为结果，漏电流被钳位。因为截止阈值电压显著地低于已充电的自举电容器的电压，所以被钳位的漏电流表现为在电流路径上的高得多的等效电阻。

在第一实施方案中，漏电流由两个参数确定，即耗尽型晶体管的截止阈值和电阻器的电阻值。可通过选择适当的截止阈值电压来控制漏电流。当逻辑低信号施加到栅极驱动电路时，可以基于改善栅极驱动信号的上升时间的原理来选择电阻器的值。

本公开的第一实施方案的一个优点是用于改善反相器的效率和开关性能的简单且可靠的栅极驱动电路。更具体地，耗尽型装置有助于减小栅极驱动电路的漏电流。作为具有该耗尽型装置的结果，不必须具有用于减小漏电流的大电阻装置。可以采用小电阻装置来改善施加到反相器的高压侧开关的栅极驱动信号的上升时间，由此改善反相器的开关性能。