CN101238640B - 驱动高压射频生成器的mos晶体管的驱动器和相关的晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动高压晶体管的驱动器，其包括：输入端(IN)，用于接收逻辑控制信号；输出端(OUT)，用于递送高压MOS晶体管的输出控制信号；具有低内部阻抗的nMOS第一驱动晶体管(Q6)，其连接在地面与所述输出端之间并且其栅极连接到所述输入端；以及pMOS第二驱动晶体管(Q5)，其连接在电源端与所述输出端之间并且其栅极经由双极晶体管(Q2)连接到所述输入端，所述双极晶体管被安排成共基极并且由电容耦合电路(C2、Q1、R2)在其射极上进行电流控制。

Description

驱动高压射频生成器的MOS晶体管的驱动器和相关的晶体管
技术领域
本发明涉及对高压晶体管的驱动，特别是具有高栅漏电容且必须转换几兆赫兹的频率的那些晶体管，例如用于内燃机火花点火的射频AC高压生成器(1kV/20A/5MHz)的情况。这种晶体管的例子可以是MOS(金属氧化物半导体)晶体管。 
技术领域
例如在本申请人的法国专利申请2 859 869、2 859 830及2 859 831中描述了这种生成器的示例性实施例。 
射频AC高压生成器的运作需要快速驱动高压晶体管，该晶体管的源极接地。 
目前，用于驱动这种高压MOS晶体管且转换几兆赫兹频率的驱动器大部分都存在输入与输出之间的传播延迟，该延迟对于所设想的反馈控制而言过长。 
考虑到所需要的性能，存在对变压器的现有技术解决方案，其对高压晶体管的栅极施加一能有效关断晶体管的对称电压。然而这些解决方案通常比具有非绕线有源元件的电路成本更高。 
本发明旨在提供一种对这个问题的解决方案。 
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于快速驱动晶体管的驱动器，特别是用于射频AC高压生成器的高压晶体管，其能够遵守输入与输出之间大约15至20ns的信号传播时间，同时仍提供基于非绕线有源元件的单极结构。 
根据本发明的一个方面，因而提出了一种具有两个补充MOS驱动晶体管的同步驱动的“推挽(push-pull)”型安排。 
更确切地，根据本发明的这个方面，提出了一种用于驱动高压晶体管的驱动器，特别是射频高压生成器的MOS晶体管，其包括： 
-用于接收逻辑驱动信号的输入端； 
-用于递送所述高压晶体管的输出驱动信号的输出端； 
-具有低内部阻抗的第一驱动晶体管nMOS，其连接在地面和所述输出端之间并且其栅极连接到所述输入端；以及 
-第二驱动晶体管pMOS，其连接在电源端与所述输出端之间并且其栅极经由双极晶体管连接到所述输入端，所述双极晶体管被安排成共基极并且由电容耦合电路对其射极进行电流控制。 
由于与晶体管的栅漏电容有关且针对大约10ns的转换时间的Miller效应，在所述高压晶体管的栅极上在其关断时出现了大约十几安培的电流。因此，为防止晶体管恢复导电并且振荡，有必要引入一种对于地面具有低阻抗的驱动电路，该驱动电路在这里是通过使用具有低内部阻抗的nMOS驱动晶体管来实现的，该阻抗典型地低于1ohm，优选地低于0.5ohm。 
此外，通过特别地经由安排成共基极且由电容耦合电路对其射极进行电流控制的双极晶体管来驱动pMOS第二驱动晶体管，即使当电源电压较低时也可以确保快速有效的转换，电源电压较低的情况可能是发动车辆时电池电压下降到8V以下的过程中出现的。 
在一个实施例中，电容耦合电路包括连接到所述输入端的电容、连接到双极晶体管的射极的第一电阻，以及在所述第一电阻和所述电容之间串行连接的构成二极管的装置。 
有利地，所述驱动器还包括第二电阻，该第二电阻连接在所述双极晶体管的集电极与所述电源端之间，并且与该双极晶体管构成电平转换器级，以及连接在所述电平转换器级与pMOS第二驱动晶体管的栅极之间的跟随器级。 
此外，所述驱动器优选地还包括连接在nMOS第一驱动晶体管的栅极 与所述输入端之间的第一放大电路，以及连接在所述输入端与所述电容耦合电路之间的第二放大电路。 
这两个放大电路使之有可能在必要的时候电流放大逻辑驱动信号(例如是0-5伏特的信号)，从而在其转换时在驱动晶体管的栅极上提供足够的电流，所述放大电路例如由74AC系列的MOS逻辑电路制成。 
即使pMOS驱动晶体管和nMOS驱动晶体管理论上不会同时转换，然而由于它们各自的转换与逻辑输入驱动信号的高状态或低状态相关联，因此在给定电路内的传播时间且给定转换频率的情况下这两个驱动晶体管仍然可能在很短的时间内同时转换。尽管这对于驱动器的运作并不造成问题，然而却导致了耗散损失。为克服该缺陷，设想所述驱动器有利地包括相移电路，该相移电路连接在所述输入端与nMOS第一驱动晶体管的栅极之间，例如连接在所述输入端与所述第一放大电路的输入之间，从而偏置两个驱动晶体管的驱动信号。 
为了增加驱动器的工作频率范围，特别是为了使得驱动器能够以低频而有效地被使用，驱动器有利地还包括其输入连接到所述输入端的附加放大电路，以及连接在地面与安排成共基极的双极晶体管的集电极之间的附加nMOS晶体管，其栅极连接到所述附加放大电路的输出。 
如上所述的驱动器特别适用于驱动用于内燃机的火花点火的射频高压生成器的晶体管。 
另一可能的应用是驱动用于生成等离子的射频高压生成器的晶体管。 
附图说明
参考附图，通过检查对非限制性实施例的详细描述，本发明的其他优点和特征将变得明显，其中： 
-图1示出了根据本发明的驱动器的第一实施例； 
-图2详细示出了图1所示驱动器的一部分；和 
-图3示出了根据本发明的驱动器的另一实施例。 
具体实施方式
在图1中，标记DISP表示用于驱动高压晶体管MHT的驱动器，其源极接地GND并且例如构成用于内燃机的火花点火的射频AC高压生成器的一部分。 
驱动器DISP具有能够接收逻辑驱动信号的输入端IN，所述信号可以具有高逻辑状态(例如5V)或低逻辑状态(例如0V)。 
逻辑驱动信号被传送至74AC系列的MOS逻辑电路的输入2、3、4、和5，该电路标记为IC1，所述电路例如是由Fairchild公司出售的电路74AC 541。 
逻辑驱动信号也经由由电阻R1、二极管D1及电容C1构成的相移电路而被传送至电路IC1的其他四个输入，即输入6、7、8和9，所述相移电路的功能将在下文详细讨论。 
如图2中更具体显示的，输入6、7、8和9连接至AC14系列类型的四个端口，其是平行安装的并且构成第一放大电路AMP1。 
同样，输入2、3、4和5连接到其他四个AC14端口，这四个端口也是平行安装的并且构成第二放大电路AMP2。 
这些逻辑端口中的每一个都能够作为输出而递送50mA的电流，由此使之有可能作为每个放大电路AMP2的输出而获得200mA的电流，该200mA的电流使得将在下文详细说明的驱动晶体管能够被正确地驱动。 
第一放大电路AMP1的输出直接连接到第一驱动晶体管Q6的栅极，该第一驱动晶体管是nMOS晶体管。 
这个第一驱动晶体管Q6具有相对于地面非常低的内部阻抗。作为指导，例如选择由Philips公司出售的参考符号为PHP3055的晶体管，其具有大约0.1ohm的内部阻抗。 
尽管晶体管Q6的源极连接至地面，然而其漏极连接到驱动器DISP的输出端OUT。 
第二放大电路AMP2的输出连接到电容耦合电路，即信号对称器，其由电容C2、作为高速二极管安装的晶体管Q1和电阻R2构成，这三个元 件平行安装在第二放大电路AMP2的输出上。 
这个电容耦合电路使之有可能通过其射极上的电流来驱动安排成共基极的双极晶体管Q2，也就是说其基极接地。 
晶体管Q2的集电极经由电阻R3连接到电源电压Vdd，其例如是电池电压。晶体管Q2和电阻R3因而构成电平转换器级。 
晶体管Q2的集电极经由通常由两个晶体管Q3和Q4构成的跟随器级而连接到第二驱动晶体管Q5的栅极，该第二驱动晶体管是pMOS晶体管。 
该pMOS晶体管Q5连接在电源电压Vdd与输出端OUT之间。 
晶体管Q5例如是由International Rectifier公司出售的参考符号为IRFD9110的晶体管，该晶体管Q5的阈值电压大约是5V并且可以用10V的电压容易地驱动。 
在其射极上被电流驱动并且其栅极接地的晶体管Q2能够实现非常快速的转换。 
此外，为了即使在电源电压较低时也保持快速转换的可能性(发动车辆时，电池电压可能降低至8V以下)，使用共基极安排是有利的，也就是说Q2的基极是接地的。随后，在其射极上必须有负电压以确保其转换，这通过电容耦合电路C2/Q1/R2来实现。 
因此，在所述输入端的正半周期间，即当输入逻辑驱动信号改变成高状态时，电容C2负责导通用作高速二极管的晶体管Q1，直到电压大约为MOS逻辑电路IC1的电源电压与二极管的阈值电压之差。 
当输入信号改变成低逻辑状态时，电路IC1的输出也改变成几乎为零的电压，并且电容C2的端子的电压使之有可能在电阻2上强加一负电势并且因此非常突然地转换晶体管Q2。所述pMOS驱动晶体管Q5因而在之后的几纳秒变为导通。 
然而，当输入逻辑信号处于高状态时，晶体管Q5处于截止状态而晶体管Q6处于导通状态。 
这可以是这样的情况，为确保两个驱动晶体管Q5和Q6不同时转换，使用相移电路是有利的，该相移电路是由电阻R1、二极管D1以及电容 C1构成的，其能够关于在第二放大电路AMP2的输入处递送的逻辑驱动信号而在时间上延迟在第一放大电路AMP1的输入处递送的逻辑驱动信号，这两个电路AMP1和AMP2是以MOS逻辑电路IC1实现的。 
当晶体管Q6处于导通状态时，高压MOS晶体管MHT处于截止状态。因此，在晶体管MHT的栅极上出现了大电流脉冲。然而，由于晶体管Q6的低内部阻抗，这个大电流脉冲并未导致晶体管MHT栅极上的电压高到足以将其导通，其会导致不期望的晶体管MHT振荡。 
换言之，驱动晶体管Q6的低内部阻抗能够确保高压晶体管MHT正确地处于截止状态。 
图1所示的驱动器具有输入IN与输出OUT之间的大约20ns的传播时间，其上升时间大约为15ns。 
图1所示的驱动器的实施例特别适合于高频运作。这是这样的情况，为了增加驱动器带宽，即使得驱动器可以在更宽的频率范围内有效地运作，特别是以低频运作，使用图3所示的实施例是特别有利的。 
与图1所示到实施例相比，图3所示的驱动器DISP还包括例如由连接到输入端IN的74AC140端口构成的附加放大电路IC2A，以及连接在地面与晶体管Q2集电极之间的附加nMOS晶体管Q7。这个附加晶体管Q7的栅极连接到附加放大电路IC2A的输出。 
由于电容C2的值(例如100纳法)而造成的电阻R2(例如50ohm)和电阻R3(例如120ohm)的动态行为在低频是不能令人满意的，因为在输入逻辑信号的下降沿上，电容C2导通电阻R2和电阻R3并且在完全充满时才结束，以使得晶体管Q2可以被再次关断并且因此在不期望的时刻转变输出。 
因此，为实现驱动器在低频的可接受的使用，而不管这个特别适合高频反应性的动态行为，插入了附加放大电路IC2A和附加nMOS晶体管Q7. 
因此，在输入逻辑驱动信号的负半周，由电容C2、晶体管Q1、电阻R2、晶体管Q2及电阻R3构成的电路能够在输出上建立快速的前沿。因 此，附加电路IC2A/Q7在跟随器级Q3/Q4的输入上保持低状态，直到输入逻辑信号的下一半周。 

Claims (9)

1.一种用于驱动射频高压生成器的MOS晶体管的驱动器，其特征在于，该驱动器包括：输入端(IN)，用于接收逻辑驱动信号；输出端(OUT)，用于递送所述高压晶体管的输出驱动信号；具有小于1ohm的内部阻抗的nMOS第一驱动晶体管(Q6)，其连接在地面与所述输出端之间并且其栅极连接到所述输入端；以及pMOS第二驱动晶体管(Q5)，其连接在电源端与所述输出端之间并且其栅极经由双极晶体管(Q2)连接到所述输入端，所述双极晶体管被安排成共基极并且由电容耦合电路(C2、Q1、R2)在其射极上进行电流控制。
2.根据权利要求1所述的驱动器，其中，所述nMOS第一驱动晶体管(Q6)的内部阻抗小于0.5ohm。
3.根据前面任一权利要求所述的驱动器，其中，所述电容耦合电路包括连接到所述输入端的电容(C2)、连接到所述双极晶体管的射极的第一电阻(R2)，以及在所述电阻与所述电容之间串行连接的构成二极管的装置(Q1)。
4.根据权利要求1或2所述的驱动器，还包括：第二电阻(R3)，该第二电阻连接在所述双极晶体管(Q2)的集电极与所述电源端之间并且与所述双极晶体管构成电平转换器级；以及跟随器级(Q3、Q4)，该跟随器级连接在所述电平转换器级与所述pMOS第二驱动晶体管的栅极之间。
5.根据权利要求1或2所述的驱动器，还包括连接在所述nMOS第一驱动晶体管的栅极与所述输入端之间的第一放大电路(AMP1)，和连接在所述输入端与所述电容耦合电路之间的第二放大电路(AMP2)。
6.根据权利要求1或2所述的驱动器，还包括连接在所述输入端与所述nMOS第一驱动晶体管的栅极之间的相移电路(R1、C1、D1)。
7.根据权利要求1或2所述的驱动器，还包括其输入连接到所述输入端的附加放大电路(IC2A)和附加nMOS晶体管(Q7)，该附加nMOS晶体管连接在地面与安排成共基极的所述双极晶体管的集电极之间并且其栅极连接到所述附加放大电路的输出。
8.一种用于内燃机的火花点火的高压射频生成器的晶体管，其特征在于，它使用根据权利要求1-7之一所述的驱动器来驱动。
9.一种用于生成等离子的高压射频生成器的晶体管，其特征在于，它使用根据权利要求1-7之一所述的驱动器来驱动。
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