專利名稱：功率mosfet驅(qū)動器及其方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明總的來說涉及電子器件，尤其是涉及形成半導體器件的方法和結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在過去，半導體公司采用多種方法和結(jié)構(gòu)生產(chǎn)功率金屬氧化物半導體場效應晶體管(功率MOSFET)驅(qū)動器電路，其被用來驅(qū)動電源系統(tǒng)的功率MOSFET。通常，一個功率MOSFET被連接用來給電感供應充電電壓，而第二功率MOSFET被連接用來使電感放電。第二功率MOSFET經(jīng)常被稱作同步整流器。，功率MOSFET通常具有很大的柵極電容，其中為了啟動和截止晶體管，柵極電容必須被驅(qū)動。為了供應足夠的驅(qū)動電流對功率MOSFET的電容進行充放電，驅(qū)動器電路具有很大的輸出晶體管。驅(qū)動器電路通常從脈寬調(diào)制(PWM)控制器中接收脈寬調(diào)制(PWM)控制信號，并驅(qū)動適當?shù)木w管。這樣的功率MOSFET驅(qū)動器電路的例子是由ON Semiconductor of Phoenix Arizona公司生產(chǎn)的NC5355。在某些情況下，被驅(qū)動器電路中的單個驅(qū)動器使用的電源電壓不會產(chǎn)生最有效的運行。
因此，希望有一種功率MOSFET驅(qū)動器，基使用電源電壓，該電源電壓使得電源系統(tǒng)有效的運行。


圖1示意性的描述了根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)10的一個實施例的一部分；圖2示意性的描述了根據(jù)本發(fā)明的圖1所示的電源系統(tǒng)的一個晶體管驅(qū)動器的一個實施例的一部分；圖3示意性的描述了根據(jù)本發(fā)明的圖1所示的電源系統(tǒng)的另一個晶體管驅(qū)動器的一個實施例的一部分；圖4示意性的描述了根據(jù)本發(fā)明的可替代圖1所示的電源系統(tǒng)的電源系統(tǒng)的一個實施例的一部分；
圖5描述了根據(jù)本發(fā)明的一個半導體封裝的一個實施例的放大平面圖，其具有半導體模，圖1所示的電源系統(tǒng)的驅(qū)動器電路在其上面形成。
圖6描述了根據(jù)本發(fā)明的一個半導體器件的一個實施例的放大平面圖，其具有形成在半導體模上的驅(qū)動器電路。
為了描述的簡單和清楚起見，圖中的元件不是必須成比例，并且在不同圖中的相同的附圖標記代表著相同的器件。此外，為了描述的簡單起見，省略了已知步驟和元件的說明和描述。正如此處所使用的，電流運載電極指的是一個器件的元件，其運載電流通過該器件，如MOS晶體管的源極或漏極，或者雙極晶體管的發(fā)射極或集電極，或者二極管的陰極或陽極?？刂齐姌O指的是一個器件的元件，其控制電流流過該器件，如MOS晶體管的柵極或者雙極性晶體管的基極。雖然這里的器件被解釋為特定的N溝道或P溝道器件，但是所屬領域的普通技術(shù)人員知道根據(jù)本發(fā)明也可以是互補器件。
具體實施例方式
圖1示意性的描述了能夠有效運行的電源系統(tǒng)10的一個實施例的一部分。電源系統(tǒng)10在電源輸入端11和電源返回端12之間從一個外部電源接收電源，并且在輸出端13和端12間形成一個可調(diào)的輸出電壓。通常，在端11和12接收到的電源是一個大電壓，例如一個電池電壓或是一個來自于家用電源的整流正弦波。系統(tǒng)10包括一個上臂功率開關或功率MOSFET或晶體管18，一個下臂功率開關或功率MOSFET或晶體管19，一個儲能電感21，一個濾波電容器22，一個升壓電容器20，一個升壓二極管17以及一個低壓側(cè)可調(diào)電容器24，一個PWM控制器16以及一個功率MOSFET驅(qū)動器電路25。晶體管18和19，電感21，電容器22，電容器20和電容器24通常是在電路25外部，然而，在一些實施例中晶體管18和19或電容器20或電容器24也可以作為電路25的一部分形成。電路25被形成用來從PWM控制器16的PWM驅(qū)動信號和啟動信號，并且響應地使得晶體管18給電感21充電，晶體管19對電感21放電。PWM控制器16分別在控制器16各自的驅(qū)動和啟動輸出端生成PWM驅(qū)動信號和啟動信號。電路25在輸入端47接收PWM驅(qū)動信號，并在輸入端48接收啟動信號?？刂破魍ǔ＝邮諄碜杂诜答伨W(wǎng)絡14的反饋信號，其代表著端13和12之間的輸出電壓值。這樣的PWM控制器對本領域的技術(shù)人員是公知的。這樣的PWM控制器的一個例子是由ON Semiconductor of Phoenix Arizona公司生產(chǎn)的NCP5318。施加在端11和12之間的大電壓使得二極管17導通并且對電容器20充電以產(chǎn)生一個升壓電壓，該升壓電壓用作電路25的輸入電壓。升壓電壓被用作電路25的輸入電壓，是因為該電壓高于可調(diào)的輸出電壓并且不大于端11上的輸入電壓。
電路25包括一個第一晶體管驅(qū)動器或是高壓側(cè)晶體管驅(qū)動器27，其通?？刹僮鞯嘏c驅(qū)動器晶體管18耦合，一個第二晶體管驅(qū)動器或是低壓側(cè)晶體管驅(qū)動器28，其可操作地與驅(qū)動晶體管19耦合，一個低壓側(cè)操作電壓調(diào)節(jié)器或是調(diào)節(jié)器39，一個控制邏輯模塊，被用來控制來自PWM控制器16的信號并形成施加在驅(qū)動器27和28上的驅(qū)動控制信號，以及一個內(nèi)部操作電壓調(diào)節(jié)器或是內(nèi)部調(diào)節(jié)器43。控制邏輯模塊包括與門32，與門33以及反相器35、36、37和38。電路25接收升壓電壓作為電源電壓或者輸入電壓，以施加在電壓輸入端41和電壓返回端42之間。為了接收輸入電壓并且形成一個用于操作電路25的控制邏輯元件的內(nèi)部操作電壓，內(nèi)部操作電壓調(diào)節(jié)器43通常被連接在端41和端42之間。為了接收輸入電壓并且在調(diào)節(jié)器39的輸出端40形成第二電壓或是低壓側(cè)操作電壓，低壓側(cè)操作電壓調(diào)節(jié)器39被連接到端41和42之間。為了將低壓側(cè)操作電壓施加到電容器24上，輸出端40被連接到電路25的輸出端51上。從下文中還可以看出，調(diào)節(jié)器39將電容器24充電到低壓側(cè)操作電壓，使得電容器24用作低壓側(cè)操作電壓的一個濾波及儲能元件。另外，調(diào)節(jié)器39具有一個控制輸入，該控制輸入可以被用來啟動或者停止調(diào)節(jié)器39在輸出端40形成低壓側(cè)操作(電壓)。例如，調(diào)節(jié)器39可具有一連接的電流源，當調(diào)節(jié)器39啟動時，能為輸出端40提供充電電流，并且當調(diào)節(jié)器39停止時，不能為輸出端40提供充電電流。為了在輸出端40和電容器24上使用低壓側(cè)操作電壓作為驅(qū)動器28的操作電壓，驅(qū)動器28連接在輸出端40和返回端42之間。為了采用輸入電壓作為驅(qū)動器28的操作電壓，驅(qū)動器27連接在端41和升壓返回端50之間。通常輸入電壓大于調(diào)節(jié)器43的內(nèi)部操作電壓并且大于輸出端40上的低壓側(cè)操作電壓。并且，調(diào)節(jié)器43的內(nèi)部操作電壓比輸出端40的低壓側(cè)操作電壓大。
圖2和圖3示意性地描述了各個晶體管驅(qū)動器27和28的一個實例的一部分。這里的描述是參照圖1，圖2和圖3的。驅(qū)動器27和28通常是緩沖器，其具有兩個反相級，每個反相級都具有較前一個級更大的晶體管，以獲得驅(qū)動晶體管18和19的柵極電容所需要的驅(qū)動電流。驅(qū)動器28的輸出級通常具有一個上臂晶體管53和一個下臂晶體管54。可以看出，輸出端52的電壓值近似等于輸入端29的電壓值減去晶體管53的電壓降，因此，輸出端52的驅(qū)動信號的最大值近似等于輸入端29的電壓值。輸出端52的驅(qū)動信號的最小值近似等于端42的電壓加上晶體管54的電壓降，因此，輸出端52的驅(qū)動信號的最小值近似等于端42的電壓值。因此，第二驅(qū)動信號的最大電壓值對應于輸出端40的低壓側(cè)操作電壓。驅(qū)動器27同樣具有一個輸出級，該輸出級具有一個上臂晶體管55和一個下臂晶體管56。驅(qū)動器27接收端41和返回端50之間的升壓電壓作為驅(qū)動器27的操作電壓。因此，輸出端49的驅(qū)動信號的最大值近似等于端41的電壓值減去晶體管55的電壓降或是近似等于端41的電壓值。輸出端49的驅(qū)動信號的最小值近似等于返回端50的電壓加上晶體管56的電壓降，或是近似等于返回端50的電壓值。因此，第一驅(qū)動信號的最大電壓值對應于端41的輸入電壓。
在運行時，當輸入端47和48都為邏輯高電平時，門32的輸出變?yōu)楦唠娖剑越o驅(qū)動器27的輸入端提供一個驅(qū)動控制信號。驅(qū)動器27接收驅(qū)動控制信號并使輸出端49變?yōu)楦唠娖健ｒ?qū)動器27驅(qū)動輸出端49達到輸出端49的驅(qū)動信號的最大值或是近似等于輸入電壓值，并且使晶體管18給電感21充電。因此，驅(qū)動器27可以形成第一驅(qū)動信號的較高電壓值。在輸入端47上的高電平驅(qū)動信號使門33的輸出變?yōu)榈碗娖?，并且給驅(qū)動器28的輸入端提供一個邏輯低電平驅(qū)動控制信號。驅(qū)動器28相應地使得驅(qū)動輸出端52的驅(qū)動信號為最小電壓值或是近似等于端42的電壓并且關斷晶體管19。因此，驅(qū)動器28被啟動以形成第二驅(qū)動信號的較低電壓值。來自于門33的低電平邏輯信號也由調(diào)節(jié)器39接收，使得調(diào)節(jié)器39在輸出端40不能形成低壓側(cè)操作電壓。
如果輸入端47達到一個邏輯低電平，而輸入端48保持在邏輯高電平，門32的輸出將被變?yōu)檫壿嫷碗娖?。?qū)動器27接收邏輯低電平并使得輸出端49低到最小電壓值或是近似等于返回端50的電壓，并且關斷晶體管18。因此，驅(qū)動器27能夠形成較低的第一驅(qū)動信號電壓值。輸入端47的低電平也驅(qū)動門33的輸出為邏輯高電平。門33的高電平控制信號能使調(diào)節(jié)器39在輸出端40上形成低壓側(cè)操作電壓，并且使電容24充電到那個電壓值。驅(qū)動器28接收邏輯高電平信號并使得輸出端52高到最大電壓值或者近似等于低壓側(cè)操作電壓值，從而啟動晶體管19。因此，驅(qū)動器28能夠形成第二驅(qū)動信號的較高電壓值。
選擇調(diào)節(jié)器39輸出端上40的電壓值以給晶體管19提供驅(qū)動電壓，該驅(qū)動電壓對晶體管19產(chǎn)生低導通電阻。正如本領域的技術(shù)人員所知道的，功率MOSFET的導通電阻是施加在功率MOSFET柵極上的電壓函數(shù)。如果電壓低，那么導通電阻通常就高。當電壓增加時，導通電阻就會減小。對某些柵極電壓來說，導通電阻會接近于導通電阻的最小值。不小于導通電阻曲線上的拐點值的電壓值通常被用作輸出端40的電壓值。這個值低于驅(qū)動器27的操作電壓值。驅(qū)動器28使用的操作電壓值比驅(qū)動器27的操作電壓值低會減少電路25的功率消耗。使用一個能減小晶體管19導通電阻的電壓會減少系統(tǒng)10的功率消耗。使調(diào)節(jié)器39形成低壓側(cè)操作電壓，相應地形成啟動晶體管19的控制信號，也能夠減少電路25的功率消耗，這是因為在電路25的整個運行周期內(nèi)，調(diào)節(jié)器39不消耗功率。應該注意的是，調(diào)節(jié)器39可以在較短或較長的時間內(nèi)啟動。例如，調(diào)節(jié)器39可以僅在門33的輸出是邏輯高電平的部分時間內(nèi)啟動。
為了提供前述功能，二極管17的陰極與端11以及與晶體管18的漏極相連。二極管17的陽極與端41以及與電容器20的第一端相連。電容器20的第二端通常與返回端50、晶體管18的源極、電感21的第一端以及晶體管19的漏極相連。電感21的第二端通常與輸出端13和電容器22的第一端相連。端41與調(diào)節(jié)器43的電源輸入端、調(diào)節(jié)器39的電源輸入端以及驅(qū)動器27的電源輸入端相連。驅(qū)動器27的輸出端與輸出端49連接，該輸出端49則與晶體管18的柵極相連。驅(qū)動器27的電源返回端和返回端50連接。驅(qū)動器27的輸入端與門32的輸出端相連。門32的第一輸入端與反相器36的一個輸出端相連，其中反相器36的輸入端與反相器35的輸出端以及門33的第一輸入端相連。門32的第二輸入端與門33的第二輸入端以及反相器38的一個輸出端相連。反相器38的一個輸入端與反相器37的一個輸出端相連，而反相器37的一個輸入端則與輸入端48相連。反相器35的一個輸入端與輸入端47相連。門33的輸出端與調(diào)節(jié)器39的控制輸入端以及驅(qū)動器28的輸入端相連。驅(qū)動器28的電源輸入端29通常與調(diào)節(jié)器39的輸出端40、輸出端51以及電容器24的第一端相連。驅(qū)動器28的電源返回端30通常與調(diào)節(jié)器39的電源返回端、調(diào)節(jié)器43的電源返回端以及電源端42相連。端12通常與端42、電容器24的第二端、晶體管19的源極以及電容器22的第二端相連。
圖4示意性的描述了電源系統(tǒng)45的一個實施例的一部分，其包括一個功率MOSFET驅(qū)動器電路46。系統(tǒng)45是系統(tǒng)10的一個可替代實施例，而電路46則是電路25的一個可替代實施例，這些都在圖1和圖2的描述中說明了。電路46包括一個與調(diào)節(jié)器39一樣的調(diào)節(jié)器58，不過調(diào)節(jié)器58被連接以接收升壓返回端50的電源。配置調(diào)節(jié)器58以形成低壓側(cè)操作電壓，相應地形成啟動晶體管18的控制信號，而不是啟動晶體管19的控制信號。當晶體管18啟動時，返回端50的電壓近似等于升壓電壓。啟動調(diào)節(jié)器58，并對電容器24充電到低壓側(cè)操作電壓。當門32的輸出端上的控制信號為負時，調(diào)節(jié)器58也為負。然而，如前所述，電容器24被充電到低壓側(cè)操作電壓值，并給驅(qū)動器28提供功率以啟動晶體管19。在晶體管18啟動的部分時間內(nèi)，從調(diào)節(jié)器58對電容器24充電也能減少電路46的功率消耗，這是因為在電路46的整個運行周期內(nèi)，調(diào)節(jié)器58不消耗功率。
圖5示意性地描述了8端子半導體封裝60的一個實施例的圖示，電路25組裝在其中。封裝60的引腳或端子對應于圖1和圖2中所示的電路25的端子。
圖6示意性地描述了一個半導體器件65的一個部分實施例的放大平面圖，其在半導體管芯66上形成。電路25在管芯66上形成。為了圖示簡單起見，管芯66可以包括圖6沒有示出的其他電路。電路25和器件65可以使用半導體制造技術(shù)在管芯66上形成，這一點本領域的技術(shù)人員是知道的。
根據(jù)上述所有內(nèi)容，很明顯描述了一個新穎的裝置和方法。在其他特征中，包括形成功率MOSFET驅(qū)動器的低壓側(cè)驅(qū)動器，其比高壓側(cè)驅(qū)動器可以運行在更低的操作電壓下。使用較低的操作電壓能夠提高驅(qū)動器的效率，使用這樣的驅(qū)動器，系統(tǒng)也能提高效率。使用低壓側(cè)操作電壓，其值不小于功率晶體管的導通電阻曲線上的拐點的電壓，也能夠提高使用這樣控制器的電源系統(tǒng)的效率。在低壓側(cè)驅(qū)動器啟動的部分時間內(nèi)，啟動低壓側(cè)調(diào)節(jié)器以形成低壓側(cè)操作電壓也會減少消耗消耗并提高效率。
盡管已經(jīng)使用特定優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，不過明顯的是對半導體領域的技術(shù)人員來說，許多替代和變更將是顯而易見的。更具體的說，本發(fā)明雖然描述了特定的PNP和NPN晶體管結(jié)構(gòu)，但是該方法可以直接應用于其他的雙極晶體管，以及MOS、BiCMOS、金屬半導體FET(MESFET)、HFET和其他晶體管結(jié)構(gòu)。此外，為了描述的清楚起見，全部使用了單詞“連接”，不過它也有和單詞“耦合”同樣的意思。因此，“連接”應該被解釋為包括直接連接或者間接連接。
權(quán)利要求
1.一種功率MOSFET驅(qū)動器，包括耦合的第一晶體管驅(qū)動器，其在具有第一值的第一電壓下運行并形成第一驅(qū)動信號以可操作地驅(qū)動第一MOS晶體管；和耦合的第二晶體管驅(qū)動器，其在具有第二值的第二電壓下運行并形成第二驅(qū)動信號以可操作地驅(qū)動第二MOS晶體管。
2.如權(quán)利要求1中的功率MOSFET驅(qū)動器，其中連接的第二晶體管驅(qū)動器，其在具有第二值的第二電壓下運行并形成所述第二驅(qū)動信號以可操作地驅(qū)動第二MOS晶體管，包括連接的第一電壓調(diào)節(jié)器，用來接收所述第一電壓并形成所述第二電壓。
3.如權(quán)利要求2中的功率MOSFET驅(qū)動器，其中配置第一電壓調(diào)節(jié)器用來形成第二電壓，相應地啟動第二晶體管驅(qū)動器以形成第二驅(qū)動信號的高電平值。
4.如權(quán)利要求1中的功率MOSFET驅(qū)動器，其中配置第一晶體管驅(qū)動器用來從第一電壓形成第一驅(qū)動信號的高電平值。
5.如權(quán)利要求1中的功率MOSFET驅(qū)動器，其中配置第二晶體管驅(qū)動器用來從第二電壓形成第二驅(qū)動信號的高電平值。
6.一種形成功率MOSFET驅(qū)動器的方法，包括配置功率MOSFET驅(qū)動器的第一晶體管驅(qū)動器，用來形成具有輸出電壓值的第一驅(qū)動信號，該輸出電壓值對應于第一電源的第一電壓值；和配置功率MOSFET驅(qū)動器的第二晶體管驅(qū)動器，用來形成具有輸出電壓值的第二驅(qū)動信號，該輸出電壓值對應于第二電源的第二電壓值，該第二電壓值低于第一電壓值。
7.如權(quán)利要求6中的方法，其中配置功率MOSFET驅(qū)動器的第二晶體管驅(qū)動器用來形成具有輸出電壓值的第二驅(qū)動信號，該輸出電壓值對應于第二電源的第二電壓值，該第二電壓值低于第一電壓值，包括配置第二電源以在第二晶體管驅(qū)動器啟動的部分時間內(nèi)形成第二電壓值從而形成第二驅(qū)動信號的較高電壓值。
8.如權(quán)利要求7中的方法，其中配置第二電源以在第二晶體管驅(qū)動器啟動的部分時間內(nèi)形成第二電壓值從而形成第二驅(qū)動信號的較高電壓值的步驟，包括配置功率MOSFET驅(qū)動器，使得第二電源不能產(chǎn)生第二電壓值，相應地啟動第二晶體管驅(qū)動器以形成第二驅(qū)動信號的較低電壓值。
9.如權(quán)利要求7中的方法，其中配置第二電源以在第二晶體管驅(qū)動器啟動的部分時間內(nèi)形成第二電壓值從而形成第二個驅(qū)動信號的較高電壓值的步驟，包括配置第二電源，以供應電流對電容器充電，相應地啟動第二晶體管驅(qū)動器，以形成第二驅(qū)動信號的較高電壓值。
10.一種操作功率MOSFET驅(qū)動器的方法，包括由第一操作電壓值，操作該功率MOSFET驅(qū)動器的第一晶體管驅(qū)動器；以及由第二個操作電壓值，操作該功率MOSFET驅(qū)動器的第二晶體管驅(qū)動器。
全文摘要
在一個實施例中，功率MOSFET驅(qū)動器使用了兩個不同的電壓，用于該功率MOSFET驅(qū)動器的兩個輸出驅(qū)動器的操作電壓。
文檔編號H02M1/08GK1815866SQ20051011919
公開日2006年8月9日 申請日期2005年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月16日
發(fā)明者保羅·J·哈里曼 申請人:半導體元件工業(yè)有限責任公司