專利名稱：柵極下拉的mosfet的制作方法
柵極下拉的MOSFET
技術(shù)領(lǐng)本發(fā)明涉及包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的電路；具體地，涉及包括在開關(guān)模式工作的直流到直流(DC-DC)電源轉(zhuǎn)換器的推挽級(jí)中實(shí)現(xiàn)的MOSFET的電路。
背景技術(shù)：
開關(guān)模式DC-DC轉(zhuǎn)換器通常用于提供從ー個(gè)DC電壓高效率地轉(zhuǎn)換至另ー個(gè)DC電壓。提高這些轉(zhuǎn)換器的效率是重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)，尤其是大量這些轉(zhuǎn)換器在同一個(gè)空間內(nèi)エ作，例如在計(jì)算機(jī)服務(wù)器場(chǎng)中。在這些情形中，提高轉(zhuǎn)換器的效率不僅降低了轉(zhuǎn)換器消耗的電量，還顯著地減少了放置在該場(chǎng)所中的冷卻負(fù)載。已經(jīng)廣泛地研究了提高開關(guān)類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率的方法。在IntelTechnology Symposium 2003 的標(biāo)題為 “The future of Discrete Power in VRMSolutions”的文章中，Jon Hancock描述了可以通過增加開關(guān)頻率來實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì),但是這由于電源開關(guān)的開關(guān)損耗而受限。開關(guān)損耗的ー個(gè)來源是當(dāng)高邊開關(guān)的導(dǎo)通周期期間重新打開低邊開關(guān)時(shí)發(fā)生的直通電流，其是由低邊開關(guān)的柵電極偏壓跳躍而引起的。他描述了需要特別注意最小化寄生電感部件以降低低邊開關(guān)MOSFET的漏極上的dv/dt的部件。晶體管的漏極上的高dv/dt經(jīng)由密勒效應(yīng)“Cgd”把電荷注入到低邊開關(guān)晶體管的柵極。這個(gè)注入的電荷在通過柵極驅(qū)動(dòng)器的相對(duì)級(jí)被排放到地之前，不得不由Cgs電容接納。這個(gè)事件與在開關(guān)晶體管的柵極的Vgs的短期增加關(guān)聯(lián)。如果Vgs的增加幅度高于MOSFET的閾值電壓Vth，那么開關(guān)被打開，大量直通電流從電源軌流至地。必須避免該效應(yīng)，因?yàn)槠鋾?huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的功率損耗，如果重復(fù)進(jìn)行的話，將損害系統(tǒng)的可靠性。在2005 年 7 月 Power Electronics Technology 的標(biāo)題為 “DV/DT ImmunityImproved Synchronous Buck Converters”的文章中，Steve Mappus 描述了該問題。一個(gè)解決方案是使用具有較高Vth的晶體管，但是這些晶體管通常具有較高的Rds，on，在其上會(huì)導(dǎo)致較高的傳導(dǎo)損耗。然后，他繼續(xù)描述了柵極驅(qū)動(dòng)器選擇。為了能夠迅速地切換M0SFET，需要由柵極驅(qū)動(dòng)器遞送大量電荷和灌電流(sink current)。此時(shí)，不僅僅柵極驅(qū)動(dòng)器的輸出是重要的，而且MOSFET的柵極電阻和源電感必須保持在最小值，以便允許硬開關(guān)。高邊晶體管和低邊晶體管的開關(guān)的先斷后合(break before make)延遲時(shí)間足夠長(zhǎng)，那么存在一個(gè)時(shí)間段，在其中下部晶體管開關(guān)的集成ニ極管傳導(dǎo)續(xù)流電流(freewheeling current)。在延遲時(shí)間結(jié)束,ニ極管由于開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的電壓的極性改變而被換向，并且相關(guān)聯(lián)的反向恢復(fù)電流峰值增加至標(biāo)稱電流，從而增加了開關(guān)功率損耗。任何功率損耗均降低功率轉(zhuǎn)換的效率，高的開關(guān)損耗抑制開關(guān)頻率的預(yù)期增加。在2003年4月25日的Fairchild半導(dǎo)體申請(qǐng)AN-6003中也解決了同步降壓轉(zhuǎn)換器中的直通問題。此處提出的解決方案是利用減慢高邊開關(guān)晶體管的上升時(shí)間。當(dāng)然，這降低了高邊開關(guān)的開關(guān)效率。美國(guó)專利5，744，994描述了在集成PN ニ極管的正向偏壓下流過下部開關(guān)晶體管的電流由集成ニ極管和FET溝道共享。MOSFET的Vth越低，流過溝道的電流越多，并且存儲(chǔ)在體ニ極管中的電荷“Qrr”越少。較少的Qrr意味著在計(jì)算期間反向恢復(fù)電流峰值越低和功率損耗越低。而且，具有較低Vth的下部開關(guān)晶體管器件的設(shè)計(jì)降低了其在給定的Vgs電壓驅(qū)動(dòng)下的Rds，on值。這將進(jìn)而降低下部開關(guān)的傳導(dǎo)損耗并且增加總的轉(zhuǎn)換效率。然而,這將加重如上所述的直通問題。因此，需要實(shí)現(xiàn)ー種具有低閾值電壓的功率MOSFET開關(guān)，其在關(guān)閉事件期間由于密勒效應(yīng)而導(dǎo)致的無意電流減小或沒有。

發(fā)明內(nèi)容
功率MOSFET的柵極端子和漏極端子之間的電容性耦合是開關(guān)無意開啟的問題根源，本發(fā)明的總體目的是利用功率MOSFET的柵極端子和漏極端子之間的電容性耦合作為該問題的解決方案。根據(jù)本發(fā)明的一方面，通過以下方式達(dá)到這個(gè)目的和特征以及其他目的和特征MOSFET器件包含具有漏極、源極和柵極的主功率M0SFET。下拉MOSFET具有漏極和源極，其中漏極連接到主功率MOSFET的柵極，源極連接到主功率MOSFET的源極。下拉MOSFET的 柵極連接到電容器的一端，電容器的另一端連接到主功率MOSFET的漏極，由此，在主功率MOSFET關(guān)閉期間的在主功率MOSFET的漏極處的電位dv/dt經(jīng)由電容性耦合使下拉MOSFET開啟并且在關(guān)閉期間保持主功率MOSFET的柵極。本發(fā)明的另ー個(gè)方面包括具有包含高邊開關(guān)和低邊開關(guān)的推挽級(jí)的開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器，其中低邊開關(guān)包含具有漏極、源極和柵極的主功率M0SFET。下拉MOSFET具有漏極和源極，其中漏極連接到主功率MOSFET的柵極，源極連接到主功率MOSFET的源極。下拉MOSFET的柵極連接到電容器的一端，電容器的另一端連接到主功率MOSFET的漏極，由此，在主功率MOSFET關(guān)閉期間的在主功率MOSFET的漏極處的信號(hào)dv/dt經(jīng)由電容性耦合使下拉MOSFET開啟并且將主功率MOSFET的柵極保持在源極電位或接近源極電位，從而防止在關(guān)閉期間主功率MOSFET開啟。本發(fā)明的另ー個(gè)方面是由操作開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的方法提供，該方法包含交替地開啟和關(guān)閉高邊MOSFET開關(guān)和低邊MOSFET開關(guān)。當(dāng)關(guān)閉低邊MOSFET開關(guān)時(shí)，利用下拉MOSFET的柵極上的密勒效應(yīng)電壓操作下拉M0SFET，以將低邊MOSFET開關(guān)的柵極耦合到其源扱，由此減小或防止了在關(guān)閉期間低邊MOSFET開關(guān)中的傳導(dǎo)。本發(fā)明的又ー個(gè)方面還包括具有主功率MOSFET的高邊開關(guān)，該主功率MOSFET包括下拉FET。下拉MOSFET的漏極連接到主功率MOSFET柵極，下拉MOSFET的源極連接到主功率MOSFET的源極。下拉MOSFET的柵極連接到電容器的一端，電容器的另一端連接到主功率MOSFET的漏極，由此，在主功率MOSFET關(guān)閉期間的在主功率MOSFET的漏極處的信號(hào)dv/dt經(jīng)由電容性耦合使下拉MOSFET開啟并且加快關(guān)閉主功率M0SFET。高邊開關(guān)的硬關(guān)閉降低了與該晶體管相關(guān)聯(lián)的開關(guān)損耗。


參考附圖描述了示例實(shí)施例，在附圖中圖I是示出了根據(jù)本發(fā)明的低邊開關(guān)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖2示出了根據(jù)相關(guān)申請(qǐng)的本發(fā)明的版圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)模式電源的開關(guān)級(jí)；圖4-圖6示出了在本發(fā)明的PSPICE模擬中獲得的Vds和Vgs波形。圖7示出了所計(jì)算的同步降壓轉(zhuǎn)換器的效率；圖8示出了對(duì)低邊開關(guān)和高邊開關(guān)都應(yīng)用下拉FET ;和圖9-圖11示出了降低柵極驅(qū)動(dòng)器的灌電流能力的影響。
具體實(shí)施例方式在圖I中示出了本發(fā)明的實(shí)施例，總體示為100。盡管所示和所討論的實(shí)施例是針對(duì)同步降壓轉(zhuǎn)換器的低邊開關(guān)，但是本發(fā)明不受如此限制，稍后關(guān)于圖8將討論在低邊開關(guān)和高邊開關(guān)兩者中使用本發(fā)明的實(shí)施例。如本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認(rèn)識(shí)到的，圖I中所示的實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)在任何開關(guān)功率M0SFET，尤其可以實(shí)現(xiàn)在用在開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞耐仆炫渲弥械腗0SFET。而且，利用電容耦合開啟下拉晶體管的解決方案可以實(shí)現(xiàn)在用在為電源管理應(yīng)用設(shè)計(jì)的IC中的橫向功率MOSFET中。如圖I中所示，所示的主FET是NMOS晶體管，具有漏極104、源極106和柵極108。第二 FET，即下拉FET 110被連接為其漏極在112連接到晶體管102的柵極。晶體管110的源極在116連接到晶體管102的源扱。電容器118連接在晶體管102的漏極104和晶體管110的柵極114之間。電阻器120連接到晶體管110的柵極114。電阻器120還在116連接到晶體管110的源扱，晶體管110的源極在106進(jìn)而連接到主FET 102的源扱。在該實(shí)施例中，下拉FET是NMOS晶體管，其有源區(qū)在主NMOS晶體管102的有源區(qū)的O. 5%到4%范圍內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施例中，耦合電容器的值在下拉MOSFET的Cgs的O. 5%到3%范圍內(nèi)，電阻器120的值在100歐姆和IOk歐姆之間?？蛇x電阻器120附連在MOSFET 110的柵極端子和源極端子之間，以使電路啟動(dòng)穩(wěn)定并且在開啟下拉MOSFET之后提供復(fù)位功能。在主MOSFET 102的傳導(dǎo)期間，下拉MOSFET 110被關(guān)閉且不再起作用。在關(guān)閉主開關(guān)MOSFET 102期間，在關(guān)閉過程期間主開關(guān)上的dv/dt效應(yīng)使耦合電容器上拉下拉MOSFET110的柵極，從而開啟晶體管110，這進(jìn)而將主MOSFET 102的柵極端子108保持在其源極電位。自驅(qū)動(dòng)的下拉MOSFET 110加速了主MOSFET在關(guān)閉期間的切換，并消除或顯著地降低在其柵極端子108處的無意跳躍。因此，在主M0SFET102的柵極108處引起問題的密勒效應(yīng)被用來驅(qū)動(dòng)下拉MOSFET 110并且消除或顯著地降低該問題。因此，引起該問題的密勒效應(yīng)變成該問題的解決方案。在實(shí)施例中，下拉FET 110可以隨集成耦合的電容器118和電阻器120被制造在小管芯上。該管芯可以附連到主開關(guān)，并且被放入與常規(guī)MOSFET情形相同的、向用戶提供三端子器件的外殼中。然而，下拉FET 110也可以被提供在器件外部或可以集成到含有主MOSFET 102的同一管芯中。在圖2中示出了實(shí)現(xiàn)所有部件都集成在同一管芯上的ー個(gè)方式。圖2示出了與2010年12月9日提交的美國(guó)申請(qǐng)12/964,527的圖6對(duì)應(yīng)的集成器件的示意圖，其涵蓋了相關(guān)的主題。 在圖2中，該器件總體示為200。功率FET的漏極端子示出在202，附連到功率FET的柵極的下拉FET的漏極端子示出在204。具有集成電阻器的下拉FET的柵極端子示出在206，功率FET的柵極端子示出在210。主功率FET的各部分示出在212，下拉FET的各部分示出在214。在這個(gè)實(shí)施例中，下拉FET分布在主開關(guān)的有源區(qū)上。下拉FET的各部分附連到主FET的各部分，從而在中間中斷柵極叉指。這種版圖確保柵極電阻對(duì)組合的晶體管的開關(guān)速度產(chǎn)生最小的影響。以共源技術(shù)將下拉FET和主開關(guān)FET放置在同一襯底上確保了它們?cè)礃O端子之間的電感幾乎是零。耦合電容可以容易地集成為在主FET的漏極區(qū)域頂部上走過的絕緣體和金屬層。通過將兩個(gè)器件放置在同一管芯上，這種版圖有助于利用密勒效應(yīng)耦合下拉FET的柵極并且將下拉FET保持在源極電位，從而消除或顯著地降低在主開關(guān)處的直通。在圖3中示出本發(fā)明的另ー個(gè)實(shí)施例，總體示為300。在該電路中，高邊開關(guān)Ql和低邊開關(guān)Q2放置在同一外殼中，從而構(gòu)造功率塊模塊302。高邊開關(guān)Ql (308)具有漏極310、柵極312和耦合到輸出VSM 316的源極314。低邊開關(guān)Q2是模塊304，其具有包含在其內(nèi)的主MOSFET開關(guān)318和下拉MOSFET 326。可以如上面關(guān)于圖I和圖2所描述的那 樣構(gòu)造這個(gè)模塊304，其或者是含有多個(gè)管芯的模塊，或者根據(jù)圖2中所示教導(dǎo)來構(gòu)造。模塊304具有晶體管318，晶體管318的漏極320連接到源極314和輸出316。晶體管318的柵極322連接到柵極驅(qū)動(dòng)器電路326和下拉MOSFET 326的漏極330。MOSFET 326的源極332連接到主MOSFET開關(guān)318的源極334。電容器326耦合在下拉MOSFET 326的柵極328和主MOSFET開關(guān)318的漏極320之間?？蛇x的電阻器338連接在下拉MOSFET 326的柵極328和源極332之間。柵極驅(qū)動(dòng)器電路306耦合在電源電壓VCC和地CGND之間，并提供信號(hào)給高邊開關(guān)和低邊開關(guān)，這在本領(lǐng)域中是眾所周知的。由耦合到端子340的脈寬調(diào)制信號(hào)PWM的源觸發(fā)柵極驅(qū)動(dòng)器電路。柵極驅(qū)動(dòng)器306在高邊開關(guān)晶體管的柵極312和低邊開關(guān)晶體管的柵極322處提供信號(hào)給主開關(guān)。在同步降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)這種模塊獲得了下面的優(yōu)勢(shì)。低邊開關(guān)Q2可以設(shè)計(jì)為具有低閾值電壓Vth的器件。對(duì)于給定的Vgs驅(qū)動(dòng)電壓，這降低了功率開關(guān)的Rds,on0進(jìn)而，低Vth減小了集成體ニ極管的Qrr，從而降低了開關(guān)損耗。具有集成的下拉晶體管326使低邊開關(guān)Q2硬關(guān)閉，將其柵極穩(wěn)固地保持在源極電位。這減小了開關(guān)功率損耗和顯著地降低了或完全消除了直通事件。這也增加了電路的可靠性。低邊開關(guān)Q2的Rds, on和開關(guān)部件的改進(jìn)使轉(zhuǎn)換器的效率更高。通過圖4-圖7中所示的PSPICE模擬示出了這些優(yōu)勢(shì)。針對(duì)這些模擬做出的假設(shè)如下對(duì)于柵極驅(qū)動(dòng)器，假設(shè)柵極驅(qū)動(dòng)器的高邊輸出級(jí)和低邊輸出級(jí)的充電和灌能力(sinkcapability)是相等的，并在Vgs等于VCC(其等于5伏特)下提供2. 5amps 對(duì)于功率開關(guān)高邊開關(guān)的有源區(qū)是3mm2。低邊開關(guān)的有源區(qū)是83mm2，并且下拉FET的有源區(qū)是O. 08mm2。耦合電容器(圖3中的336)是15pF，復(fù)位電阻器(圖3中的338)是Ik歐姆。高邊開關(guān)的閾值電壓Vth是I. 6伏特，低邊開關(guān)和下拉晶體管FET的閾值電壓在不同的曲線圖中是I. 4伏持、I. I伏特或O. 8伏持。高邊開關(guān)和低邊開關(guān)的柵極電阻(包括印刷電路板布線)是2歐姆，高邊開關(guān)和低邊開關(guān)的柵極電感是I. 5nH。假定功率塊模塊對(duì)于電流處理連接使用較厚的鋁導(dǎo)線，使得存在O. InH到O. 3nH的小封裝電感。將輸入電壓選擇為12伏特，輸出電壓選擇為I. 2伏特。開關(guān)頻率選擇在IMHz，輸出電感Ltl等于O. 3微亨。DCILLci等于Im歐姆，在低邊開關(guān)和高邊開關(guān)脈寬調(diào)制之間的延遲時(shí)間是15納秒。在圖4和圖5中，曲線圖400、500示出了針對(duì)使用常規(guī)開關(guān)而無下拉FET的參考情況中低邊開關(guān)的Vds 402，502和Vgs 404，504波形。在圖4中，針對(duì)具有I. 4伏特的高閾值電壓的低邊開關(guān)的模擬結(jié)果表明，不存在直通發(fā)生并且開關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴(ringing)的非常高。在圖5中，具有O. 8伏特低閾值電壓的低邊開關(guān)表明了顯著的直通發(fā)生，顯著地抑制了振鈴。抑制電壓振鈴看起來很好，但是其與直通期間非常高的功率損耗關(guān)聯(lián)，使得轉(zhuǎn)換器的效率較低。直通也降低了轉(zhuǎn)換器的可靠性。圖6示出了低邊開關(guān)具有O. 8伏特低閾值并且具有集成下拉FET的情況的模擬結(jié)果，總體示為600。電壓Vds示為602，低邊開關(guān)的電壓Vgs示為604。曲線圖606是下拉FET的柵極和其源極端子之間的電壓。當(dāng)與圖4進(jìn)行比較時(shí)，低閾值電壓增加了對(duì)主MOSFET中電流的溝道貢獻(xiàn)，從而操作為同步整流器。集成體ニ極管的傳導(dǎo)和Qrr較小，從而提高了轉(zhuǎn)換器的效率?？梢宰⒁獾?，在圖6中，一旦高邊開關(guān)開啟(包括低邊開關(guān)上的高dv/dt)，下拉FET就開啟，從而加速了剰余部分的換向。由于在高邊開關(guān)開啟的開始，通過高邊開關(guān)和低邊開關(guān)的交叉電流較小，所以開關(guān)節(jié)點(diǎn)的振鈴稍微地降低。該電流對(duì)應(yīng)于LC存在的電路中降低其Q因數(shù)的泄漏。在圖7中呈現(xiàn)出所研究的不同情況下作為負(fù)載電流函數(shù)的轉(zhuǎn)換器效率，總體示為700。線702、704和706分別示出了在三個(gè)不同電壓閾值情況下(O. 8伏特、I. I伏特和1.4伏特)，針對(duì)無下拉FET的低邊開關(guān)計(jì)算的效率。I. I伏特的中間閾值電壓(曲線圖704)示出了由于低邊開關(guān)的Rds，on減小而得到的在滿負(fù)載的某些效率優(yōu)勢(shì)。在該情況中，由于低邊開關(guān)僅僅工作在直通開始，所以在輕負(fù)載下沒有顯著的不足。相比之下，當(dāng)閾值電壓降低到O. 8伏特時(shí)(曲線圖702)，顯著地引入了較強(qiáng)的直通事件，從而降低了轉(zhuǎn)換器在中負(fù)載和輕負(fù)載下的效率。與各自的常規(guī)情況相比較，對(duì)于低邊開關(guān)具有集成的下拉FET情況的所有三條曲線708、710和712示出了某些效率優(yōu)勢(shì)。這是由于低邊開關(guān)的較硬關(guān)閉使開關(guān)損耗較低。此外，即使在O. 8伏特最低閾值電壓的情況中(曲線圖708)，也沒有跡象表明存在任何直通。在低閾值電壓和輕負(fù)載情況下的效率的某些輕微下降是由于在切換期間通過低邊主MOSFET的溝道的漏電流而造成的。 圖8不出了本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例，其中針對(duì)功率塊I旲塊的低邊開關(guān)和尚邊開關(guān)均集成下拉FET。該實(shí)施與圖3的實(shí)施例相似，除了高邊開關(guān)也包括下拉FET以外。因此，使用與圖3中的參考數(shù)字相似的參數(shù)數(shù)字。圖8示出了包含模塊803和805的模塊802，模塊803和805分別包含主開關(guān)晶體管808、818和FET下拉晶體管850、830。主開關(guān)MOSFET晶體管808的漏極862耦合到電壓VIN 810的源，其源極耦合在模塊803和模塊805之間的節(jié)點(diǎn)814。節(jié)點(diǎn)814耦合到輸出端子VSM816。主開關(guān)MOSFET 808的柵極812連接到柵極驅(qū)動(dòng)器電路806，這在本領(lǐng)域中是已知的。柵極驅(qū)動(dòng)器電路為高邊開關(guān)Ql和低邊開關(guān)Q2提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。主開關(guān)MOSFET 808的柵極812也連接到下拉FET 850的漏極852，下拉FET 850的源極854在814連接到晶體管808的源極。電容器858連接在主開關(guān)MOSFET 808的漏極862和下拉FET 850的柵極856之間。下拉FET 850的柵極856還經(jīng)由復(fù)位電阻器860耦合到下拉FET 850的源極854，其進(jìn)而耦合到節(jié)點(diǎn)814。
低邊開關(guān)Q2具有主開關(guān)MOSFET 818，其漏極820連接到節(jié)點(diǎn)814，因而連接到輸出816。柵極822連接到柵極驅(qū)動(dòng)器806，從而接收柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)，如本領(lǐng)域中已知的。主開關(guān)MOSFET 818的源極824在端子834連接到地。FET下拉晶體管830的漏極828連接到主開關(guān)M0SFET818的柵極822。下拉FET 830的柵極826經(jīng)由電容器836耦合到主開關(guān)MOSFET 818的漏極820。下拉FET 826的柵極826還經(jīng)由復(fù)位電阻器838耦合到下拉FET832的源極和主開關(guān)818的源極824。
柵極驅(qū)動(dòng)器806連接到電源電壓VCC和地VCGND，并在端子840接收PWM (脈寬調(diào)制)。柵極驅(qū)動(dòng)器電路為高邊開關(guān)和低邊開關(guān)生成開關(guān)波形，如本領(lǐng)域中已知的，此處不需要詳細(xì)描述。高邊主MOSFET開關(guān)具有下拉FET的優(yōu)勢(shì)是，使高邊主開關(guān)急劇關(guān)閉，這減少了開關(guān)損耗。其還允許使用具有低閾值Vth的晶體管，并可以減少在工作周期的下降沿時(shí)高邊主MOSFET開關(guān)的操作和低邊主MOSFET開關(guān)的操作之間的空載時(shí)間(dead time)。圖9-圖11示出了降低柵極驅(qū)動(dòng)器的灌電流能力的影響，總體示為900、1000和1100。在所有情況中，充電MOSFET和灌MOSFET兩者的充電電流能力保持恒定在2. 5amps,并且輸出驅(qū)動(dòng)器級(jí)中的灌MOSFET的尺寸保持等于高邊驅(qū)動(dòng)器和低邊驅(qū)動(dòng)器。與圖6中相似，曲線圖902和1002表示主開關(guān)MOSFET的Vds，曲線圖904與1004表示主開關(guān)MOSFET的Vgs，曲線圖906與1006表示下拉FET的Vgs。圖9和圖10示出了將灌電流能力從2. 5amps降低至lamps的影響。低邊開關(guān)的Vgs電壓下降較慢，從而在高邊開關(guān)開啟的開始提供足夠的低邊開關(guān)FET傳導(dǎo)。因此，消除了體ニ極管傳導(dǎo)和相關(guān)的Qrr效應(yīng)。這使轉(zhuǎn)換器的效率更高，如圖11中曲線圖1100所示。然而，如果灌電流IG sink能力低于lamps，那么低邊開關(guān)的Vgs在高邊開關(guān)開啟時(shí)仍然過高，出現(xiàn)過量交叉電流。因此，轉(zhuǎn)換器的效率下降得非常迅速，進(jìn)ー步降低灌電流能力。本發(fā)明可以例如參考美國(guó)專利7，282，765的教導(dǎo)而有利地制造。雖然在此描述了具有所有特征或步驟或僅某些特征或步驟的示例實(shí)施例，但是具有所描述的特征或步驟中的ー個(gè)或多個(gè)的不同組合的實(shí)施例意在被涵蓋。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)許多其他的實(shí)施例和變化也是可能的。
權(quán)利要求
1.ー種MOSFET器件，包含 具有漏極、源極和柵極的主功率MOSFET ； 下拉MOSFET，所述下拉MOSFET的漏極連接到所述主功率MOSFET的柵極，所述下拉MOSFET的源極連接到所述主功率MOSFET的源極；和 電容器，其連接在所述下拉MOSFET的柵極和所述主功率MOSFET的漏極之間； 由此，在所述主功率MOSFET關(guān)閉期間在所述主功率MOSFET的漏極處的電壓偏置dv/dt使所述下拉MOSFET開啟并且將所述主功率MOSFET的柵極保持在源極電位或接近源極電位，從而防止在關(guān)閉期間所述主功率MOSFET開啟。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的MOSFET器件，進(jìn)ー步包含連接在所述下拉MOSFET的柵極和源極之間的電阻器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MOSFET器件，其中所述下拉M0SFET、所述電容器和所述電阻器形成在如下管芯上，該管芯與所述主功率MOSFET形成的管芯分離且小于所述主功率MOSFET形成的管芯，所述兩個(gè)管芯在所述主功率MOSFET的源電極、漏電極和柵電極處電連接并且被放入單個(gè)封裝內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MOSFET器件，其中所述主功率M0SFET、所述下拉M0SFET、所述電容器和所述電阻器形成在單個(gè)管芯上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的MOSFET器件，其中所述主功率MOSFET和所述下拉MOSFET是具有垂直的電流流動(dòng)路徑的源極向下配置的功率MOSFET。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的MOSFET器件，其中所述器件是開關(guān)轉(zhuǎn)換器的推挽級(jí)中的低邊開關(guān)，其具有集成的主功率MOSFET和下拉MOSFET。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的MOSFET器件，進(jìn)ー步包含開關(guān)轉(zhuǎn)換器的推挽級(jí)中的高邊開關(guān)，其具有集成的第二主功率MOSFET和第二下拉M0SFET。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的MOSFET器件，其中所述電阻器值在100歐姆和10000歐姆之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的MOSFET器件，其中所述電容器的電容值是所述下拉MOSFET的Cgs電容值的50%到150%ο
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的MOSFET器件，其中所述下拉MOSFET的有源區(qū)是所述主功率MOSFET的有源區(qū)的O. 5%到4. 0%。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的MOSFET器件，其中所述主功率MOSFET和所述下拉MOSFET是NM0SFET。
12.—種具有高邊開關(guān)和低邊開關(guān)的開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器，所述低邊開關(guān)包含 具有漏極、源極和柵極的主功率MOSFET ； 下拉MOSFET，所述下拉MOSFET的漏極連接到所述主功率MOSFET的柵極，所述下拉MOSFET的源極連接到所述主功率MOSFET的源極，所述下拉MOSFET的柵極連接到電容器的ー個(gè)端子，所述電容器的另ー個(gè)端子連接到所述主功率MOSFET的漏扱，由此，在所述主功率MOSFET關(guān)閉期間在所述主功率MOSFET漏極處的電壓偏置dv/dt使所述下拉MOSFET開啟并且將所述主功率MOSFET的柵極保持在源極電位或接近源極電位，從而防止在關(guān)閉期間所述主功率MOSFET開啟。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，其中所述下拉MOSFET的有源區(qū)基本是所述主功率MOSFET的有源區(qū)的O. 5%到4. 0%。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，進(jìn)ー步包含連接在所述下拉MOSFET的柵極和其源極之間的電阻器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，其中所述電阻器值在100歐姆到10000歐姆之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，其中所述電容器的電容值是所述下拉MOSFET的Cgs電容值的50%到150%ο
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的開關(guān)轉(zhuǎn)換器，具有高邊開關(guān)，所述高邊開關(guān)包含 具有漏極、源極和柵極的主功率MOSFET ； 下拉MOSFET，所述下拉MOSFET的漏極連接到所述主功率MOSFET的柵極，所述下拉MOSFET的源極連接到所述主功率MOSFET的源極，所述下拉MOSFET的柵極連接到電容器的ー個(gè)端子，所述電容器的另ー個(gè)端子連接到所述主功率MOSFET的漏扱，由此，在所述主功率MOSFET關(guān)閉期間在所述主功率MOSFET漏極處的電壓偏置dv/dt使所述下拉MOSFET開啟，并且將所述主功率MOSFET的柵極保持在源極電位或接近源極電位，從而防止在關(guān)閉期間所述主功率MOSFET開啟。
18.ー種操作開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的方法，所述方法包含 交替地開啟和關(guān)閉高邊MOSFET開關(guān)和低邊MOSFET開關(guān)； 當(dāng)關(guān)閉所述低邊MOSFET開關(guān)時(shí)，利用在所述低邊開關(guān)的漏極和下拉MOSFET的柵極之間的電容耦合開啟所述下拉M0SFET，并且將所述低邊MOSFET開關(guān)的柵極耦合到其源極，由此減小或防止在關(guān)閉期間在所述低邊MOSFET開關(guān)中的傳導(dǎo)。
全文摘要
下拉MOSFET (110)耦合在開關(guān)類型DC-DC功率轉(zhuǎn)換器中的MOSFET主開關(guān)晶體管(102)的漏極和柵極之間。下拉MOSFET (110)的柵極通過電容器(118)耦合到主開關(guān)晶體管(102)的漏極，并通過電阻器(120)連接到主開關(guān)晶體管(102)的源極。下拉MOSFET(110)由對(duì)主開關(guān)晶體管(102)的電壓降的電容耦合來操作且可以用于將主開關(guān)晶體管(102)的柵極保持在其源極電位或接近其源極電位，從而避免或降低主開關(guān)晶體管(102)由于密勒效應(yīng)而造成的無意開啟。
文檔編號(hào)H03K17/687GK102668381SQ201080059060
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者J·科瑞克, O·J·洛佩斯, S·徐 申請(qǐng)人:德克薩斯儀器股份有限公司