[發明專利]具有對柵極電壓的緊密控制的驅動電路

有效

• 申請號: 201310580583.5
• 申請日: 2013-11-19
• 公開（公告）號: CN103825461B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: R.巴耶雷爾
• 申請（專利權）人: 英飛凌科技股份有限公司
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 馬紅梅,胡莉莉

技術領域

本申請涉及用于電壓控制功率半導體的驅動電路，并且更具體地涉及具有緊密柵極電壓控制的驅動電路。

背景技術

驅動輸出級電路通常由彼此隔離的初級側電路和次級側電路構成。初級側通常接地。隔離的次級側需要隔離電源。在次級側內，來自初級側的命令通常被視為具有恰當形狀（至少具有恰當的電壓電平）以控制功率半導體。為了驅動諸如MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、JFET（結型場效應晶體管）或HEMT（高電子遷移率晶體管）之類的功率晶體管的柵極，驅動輸出級傳統地包括用于放大進入驅動輸出級電路的輸入信號或在驅動輸出級電路內生成的信號的輸出級。驅動輸出級電路的驅動輸出級典型地包括處于推挽式配置的射極跟隨器（emitter follower）級。被施加于驅動輸出級的驅動輸出級電路內生成的信號或輸入信號具有隨時間變化的期望電壓幅值和形狀，意圖將該期望電壓幅值和形狀施加于功率半導體的柵極。驅動輸出級應該僅放大電流，并應該保持電壓形狀或電平。驅動輸出級典型地由一個供給電壓（例如15V）或兩個供給電壓（例如+15V，-5V）供電。輸入信號的高和低電平通常分別等于正和負供給電壓。在n溝道MOSFET或n溝道IGBT的情況下，在接通狀態中，驅動輸出級的正供給電壓理想地被切換到功率晶體管的柵極而沒有電壓降。在關斷狀態中，驅動輸出級的負供給電壓理想地同樣被切換到功率晶體管柵極而沒有電壓將。在p溝道MOSFET的情況下，根據這些器件的控制特性來使極性倒置。對于常開型功率晶體管，“接通”和“關斷”狀態的電壓電平可以分別是0V和-15V或者器件所需的無論什么負電壓（例如-5V、-20V）。

如果驅動輸出級包括射極跟隨器電路，則將存在與射極跟隨器的基極-發射極二極管的正向電壓相對應的電壓降。對于達林頓（Darlington）配置，根據達林頓級的數目，電壓降可以是兩倍或三倍大。當峰值電流流入或流出功率半導體的柵極且通過驅動輸出級時，這樣的電壓降尤其活躍。這樣的電流出現在過渡（例如接通和關斷）期間以及在功率半導體的負載端子處的電壓變化期間或者在功率半導體的負載端子處的電壓變化的情況下（即，功率半導體處的漏極或集電極電壓過渡）。這樣的漏極或集電極電壓過渡可以由功率器件外部的原因（諸如在功率半導體的導通模式中發生的負載的短路）引起。另一示例通過因對功率倒置器內的半橋電路的相位輸出處的負載電流進行反轉而引起的二極管電流換相等等出現。除非被減輕，驅動電路的輸出級中的這些電壓降導致某些短路狀況下或來自續流二極管的電流換相下功率半導體的更高開關損耗或不可靠操作。盡管存在固有電壓降問題，射極跟隨器電路的優點是輸入信號上的極好響應時間。

因此期望保持極好響應時間但防止驅動輸出級的輸入和輸出之間的電壓降的驅動輸出級。

發明內容

根據驅動電路的一個實施例，該驅動電路包括具有高電平電壓輸入和低電平電壓輸入的驅動輸出級。該驅動輸出級可操作用于響應于施加于該驅動輸出級的柵極電壓來生成輸出電壓。該驅動電路還包括運算放大器，其可操作用于調節施加于所述驅動輸出級的柵極電壓，以使得輸出電壓與輸入到所述運算放大器的控制信號相對應。連接到所述驅動輸出級的高電平電壓輸入的第一供給電壓比所述控制信號的最大值更高，且連接到所述驅動輸出級的低電平電壓輸入的第二供給電壓比所述控制信號的最小值更低。

根據電路的一個實施例，該電路包括功率半導體器件以及具有高電平電壓輸入和低電平電壓輸入的驅動輸出級。所述驅動輸出級可操作用于利用由所述驅動輸出級響應于施加于所述驅動輸出級的柵極電壓而輸出的電壓來驅動所述功率半導體器件。該電路還包括運算放大器，其可操作用于調節施加于所述驅動輸出級的柵極電壓，以使得由所述驅動輸出級輸出的電壓與輸入到所述運算放大器的控制信號相對應。連接到所述驅動輸出級的高電平電壓輸入的第一供給電壓比所述控制信號的最大值更高，且連接到所述驅動輸出級的低電平電壓輸入的第二供給電壓比所述控制信號的最小值更低。

根據操作驅動電路的方法的一個實施例，該方法包括：切換驅動輸出級，以使得所述驅動輸出級響應于施加于所述驅動輸出級的柵極電壓而生成輸出電壓；由運算放大器調節施加于所述驅動輸出級的柵極電壓，以使得所述輸出電壓與輸入到所述運算放大器的控制信號相對應；將比所述控制信號的最大值更高的第一供給電壓連接到所述驅動輸出級的高電平電壓輸入；以及將比所述控制信號的最小值更低的第二供給電壓連接到所述驅動輸出級的低電平電壓輸入。

在閱讀下面的詳細描述后以及在查看附圖后，本領域技術人員將認識到附加特征和優點。