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論文章節組織與安排

第一章 緒論

1.6 論文章節組織與安排

本篇論文針對高功率電路設計出驅動控制電路並根據 GaN HEMT 電晶體特 性設計提升崩潰電壓的保護電路，論文共包含五個章節，第一章節介紹研究動機 與文獻回顧。第二章節介紹電晶體閘極驅動電路設計理論。第三章節介紹功率電 晶體閘極驅動電路設計實現。第四章節介紹提升氮化鎵電晶體崩潰電壓之電路。

第五章將本論文歸納整理後做出結論，並對未來發展做進一步探討。

第二章

電晶體閘極驅動電路設計理論

控制器產生的 PWM 訊號需要經由閘極驅動電路來推動功率元件，在小功 率應用中，會使用單極共地驅動電路。而中高功率應用中，其驅動電路的架構分 別有半橋、全橋等開關方式，且扮演著保護控制器的腳色。本章節一開始會簡介 閘極驅動電路的主要功能和分類，然後介紹基本的上下橋閘極驅動電路。最後會 討論空乏型電晶體的驅動方式並討論這些方式的優缺點，以利於設計出適合的氮 化鎵閘極驅動電路。本章節將依序介紹：2.1 閘極驅動電路簡介 2.2 下橋閘極驅 動電路介紹 2.3 上橋閘極驅動電路介紹 2.4 空乏型閘極驅動電路介紹

2.1 閘極驅動電路簡介

驅動電路為控制電路和功率開關之間的界面電路，主要的功能就是能正確切 換功率元件的導通與截止狀態，並在元件導通時提供適當的驅動電力（如 BJT 的基極電流或 MOSFET 的閘極電壓）使其維持在導通的狀態。

一般而言，功率電晶體可分為上橋和下橋，下橋元件因為其源極接地，電壓 固定為 0V 而易於控制，其驅動電路也較上橋單純。上橋元件在選擇上有 P 通 道和 N 通道兩種，P 通道元件雖然控制簡單，但在成本和性能的表現上皆不如 N 通道元件，所以應用上還是以 N 通道元件為主，但是 N 通道元件的源極電壓 並非定值造成控制上的困難，需要仰賴適當的閘極驅動電路穩定提供閘極電壓。

目前發展出許多不同的驅動方式，較常見的有自舉式驅動電路（Bootstrap Circuit）、

光耦合器（Photo-coupler）等。

2.2 下橋閘極驅動電路介紹

要切換功率元件，最簡單的方式就是直接用 PWM（Pulse Width Modulation）

控制器產生的邏輯訊號作切換，這種方式的優點為便宜和節省空間，但是 PWM 控制器所能提供的驅動電流有限，會限制功率元件的切換速度。而且過大的電流 尖波（Current Spike）也容易破壞控制器內較敏感的電氣元件。為了提升功率開 關的切換速度和保護控制器等目的，使用上仍會添加驅動電路來做驅動。

圖 2.1 是一般常見的圖騰式（Totem-pole）驅動電路，（a）是由一個 NPN 和 一個 PNP 電晶體組成的 BJT 型式的驅動電路，（b）則是由 NMOS 和 PMOS 組 合而成。此兩種圖騰式驅動電路的功能及操作方法極為類似，最大的不同為 BJT 型式的驅動電路其輸入和輸出訊號同相，而 MOSFET 型式的驅動電路則為反向。

在切換功率元件導通或者關閉的過程中，圖騰式驅動電路能提供一個低阻抗的路 徑使驅動電流更大，進而提升元件的切換速度，且驅動電流並不會流進 PWM 控 制器內，避免控制器內的電器元件受到損害，達到保護的作用[12]。

VCC

GND Vin Vout

(a)

VCC

GND Vin Vout

(b)

圖 2.1 圖騰式驅動電路

BJT 圖騰式電路的另一個好處為兩個電晶體的基極－射極接面可以互相保 護，避免接面二極體的反向崩潰現象（Reverse Breakdown）。且基極－射極接面

二極體可以限制功率元件的閘極電壓在 Vcc + VBE 和 GND-VBE 之間，避免過高 的閘極電壓導致功率元件損壞。不過需要注意不能讓 BJT 電晶體進入到飽和狀 態，否則會降低切換速度。與 BJT 圖騰式驅動電路相比，MOSFET 因為材料特 性而更適合操作在高頻。且在功率元件閘極電壓的控制上，因為 BJT 基極－射 極接面造成的電壓降 VBE 使其不如 MOSFET 圖騰式電路來的準確，這也是 MOSFET 圖騰式電路被較多人作為驅動電路的原因。

2.3 上橋閘極驅動電路介紹

上橋驅動電路依照功率元件的型式不同可以分為 P 通道驅動電路和 N 通 道驅動電路。由於 P 通道功率元件的源極與電壓源 VD 相連接使其電壓值固定 不變，所以操作上也較為簡單。

R1

R2

Q1 VIN

D1 RG

VD

Level Shifter

Z

圖 2.2 上橋 P 通道驅動電路

圖 2.2 為簡單的 P 通道閘極驅動電路[13]，由電晶體 Q1 和兩個電阻 R1、

R2 組成一位準轉換電路（Level Shifter），目的就是提供一個相對於源極的負電 壓訊號將功率元件導通。而二極體 D1 的作用在於防止功率元件的閘－源極電壓 差（VGS）過大使元件損壞。此電路的功率損耗主要在上橋元件的輸入電容和 Q1 導通時流過 Level Shifter 的電流上。

在一般高效率、大功率的系統應用中，仍會採用性能較佳且價格也較便宜的 N 通道元件作為上橋功率電晶體，但是該功率元件的源極為浮動電壓，無法直 接用一固定的閘極電壓來進行開關控制，以下將介紹兩種常見的解決方法。

2.3.1 自舉式電路與電位位準轉換電路

圖 2.3 所示為一個簡單的自舉式上橋閘極驅動電路[12][14][15]，用以驅動增 強型 N 通道功率電晶體 MN。為了解決 MN的源極電壓不固定的問題，添加一自 舉電容 Cboot 作為浮動的電壓源使用，讓 MN閘極電壓能隨著源極電壓一起改變。

V

CC

VD

Ro C

boot

M

1

M

2

M

N

Vout D

boot

In

圖 2.3 自舉式電路

此自舉式上橋閘極驅動電路的工作原理如下：

(a) 第一階段：輸入電位 In 為高電位 Vh

開關 M1 為關閉，開關 M2 為導通， VCC 對電容 Cboot 充電，此時電容 Cboot 的負端（即 MN 之源極電壓）電壓為零，正端電壓為 VCC，當開關 MN的閘 -源極電壓 VGS 為零，開關 MN 為關閉 ，第一階段等效電路圖如圖 2.3(a)所 示。

V

CC

VD

Ro C

boot

M

1

M

2

M

N

Vout D

boot

V

h

圖 2.3(a) Cboot電容充電階段

(b) 第二階段：輸入電位 In 為低電位 Vl

開關 M1 為導通，開關 M2 為關閉時，開關 MN之 VGS 即為 VCC 使其導通，

其等效電路圖如圖 2.3(b-1)所示。

在開關 MN為導通過程中，其源極電壓也隨之上升到 VD，此時電容 Cboot 跨

VD

MP2

MP1

MN1 MN2

In

Out

gnd A

圖 2.4 電位位準轉換電路

一般的電位位準轉換電路，工作原理舉例如下：

(a) 第一階段：輸入電位 In 為低電位 Vl

開關 MN1為關閉，開關 MN2為導通，電壓 Out 被拉到零，開關 MP1為導通，A 點電壓為 VD，開關 MP2為關閉，如圖 2.4(a)所示。

VD

MP2

MP1

MN1 MN2

Vl

Out

gnd A

圖 2.4(a) 輸出電壓 Out 為零

(b) 第二階段：輸入電位 In 為高電位 Vh

開關 MN1為導通，開關 MN2為關閉，A 點電壓被拉到零，開關 MP1為關閉，開 關 MP2為導通，電壓 Out 被拉到 VD。

VD

MP2

MP1

MN1 MN2

Vh

Out

gnd A

圖 2.4(b) 輸出電壓 Out 為 VD

由以上的例子可得知電位位準轉換電路跨接於 VD 位準與 0V 中間，因此電 位位準轉換電路內的元件 MN1、MN2、MP1、MP2必須要能承受高電壓差。例如使 用 LDMOS(Laterally double diffused MOS)代替一般的 MOSFET。然而製作 LDMOS 或是其它具高崩潰電壓電晶體需要特殊的製程，製作上較為複雜，本論 文根據這點對電路做改良，詳細內容在第三章討論。

2.3.2 光耦合器

圖 2.5 中方框的部分即為光耦合器[16]，一般由三部分組成，分別是光的發 射、光的接收及信號放大。輸入的電信訊號驅動發光二極體，使其發出一定波長 的光，被光探測器接收後產生電流輸出，完成電－光－電的轉換。由於光耦合器 輸入輸出間互相隔離，電信訊號的傳輸具有單向性特點，因此具有良好的電絕緣 能力和抗干擾能力，所以也可以在長線傳輸資訊中作為終端隔離元件。

圖 2.5 光耦合器構造圖

圖 2.6 所示， PWM 控制器的輸出接腳需串連一個電阻 R1 做為限流用，

避免電流過大造成發光二極體毀壞，另外在光耦合輸出側加上一電阻 RG 可以 控制驅動速度的快慢。

圖 2.6 光耦合器及其驅動電路

2.4 空乏型閘極驅動電路介紹

空乏型電晶體與加強型電晶體的不同在於其臨界電壓（Threshold Voltage, Vth）為負值，所以當 VGS 為零時電晶體導通；VGS 為負值時電晶體關閉。為 了驅動空乏型電晶體，可以利用一 MOSFET 與高效能之空乏型元件結合，使之 成為一複合式的加強型元件（如圖 2.7），如此便可利用現有的加強型電晶體驅動 技術來進行元件開關控制[17]。但是這種作法會增加功率元件的導通電阻使效能 降低，且操作溫度也會被 MOSFET 限制而無法提升。在保有材料優勢的情況下，

本文將介紹二種下橋空乏型驅動電路和一種上橋空乏型驅動電路[18]。

圖 2.7 JFET/MOSFET 複合式加強型元件

下橋空乏型驅動電路

如圖 2.8，此驅動電路是由一個 NMOS 和一個 PMOS 組成圖騰式的電路架 構，其操作方式也與加強型驅動電路相同，不同之處在於電路之中的 PMOS 源 極由 VCC 改為接地（GND），而原本 NMOS 的源極也由接地改為連接負的電 壓源 VSS。當開關 M1 為導通、開關 M2 為關閉時，VGS 約為零使電晶體 ML 導通；當開關 M1 為關閉、開關 M2 為導通時便藉由 VSS 提供負的電壓來關閉 空乏型電晶體，在設計上只需要符合|VSS| > |Vth|此一關係式即可。此驅動電路

有兩個需要解決的問題，其一是要額外設計電路以提供負電壓源；其二是 PWM 控制器的邏輯訊號為正，無法直接控制此驅動電路，需要添加 Level Shifter 將正 訊號轉為負訊號。

Vout

Vin

Rg

Rload VD

VSS M1

M2

Vgs +

-ML

圖 2.8 下橋空乏型驅動電路

上橋空乏型驅動電路

圖 2.9 為上橋閘極驅動電路，其架構與加強型的自舉式電路非常類似，都是 利用自舉電容來提供閘極需要的電壓。圖中電容 C1、二極體 D1 和浮動電壓源 VCC 形成新的空乏型自舉式電路，有別於加強型的自舉電容是在功率電晶體關 閉時被充電，此電路的充電時機則在功率電晶體導通時。

Vout In

Rg

Rload VD

C1

D1 VCC M1

M2

MH

Level shifter

圖 2.9 上橋空乏型驅動電路

其操作原理如下：

(a) 第一階段：輸入電位 In 為低電位 Vl

開關 M1 導通、開關 M2 關閉時，電晶體 MH 的 VGS 為零使其導通並使 Vout 電壓（電容 C1 的正端電壓）被拉到 VD，此時電容 C1 的負端電壓約等於 VD-VCC，VD 則藉由電容 C1、二極體 D1、VCC 形成的迴路對電容 C1 充 電，所以當電容 C1 被充飽時其跨壓會約等於 VCC，如圖 2.9(a)所示。

Vout

此作法雖可以解決空乏型電晶體上橋驅動的問題，但是在實際應用上會有困

此作法雖可以解決空乏型電晶體上橋驅動的問題，但是在實際應用上會有困

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