CN105940453B - 双极栅极驱动器 - Google Patents
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Abstract
根据一个方面，本发明的实施例提供栅极驱动器，该栅极驱动器包括电平移位器电路，其被配置为耦合至控制器以用于接收来自控制器的控制信号，每个控制信号具有相对于控制接地的电压，以及用于相对于芯片接地重新定义每个控制信号的电压以生成重新定义的控制信号；栅极驱动器芯片，其耦合至电平移位器电路并被配置为耦合至至少一个半导体器件，该栅极驱动器芯片进一步被配置为基于重新定义的控制信号向至少一个半导体器件提供双极控制信号；以及至少一个电源，其被配置为向栅极驱动器芯片提供至少一个正供应电压以及向栅极驱动器芯片和向芯片接地提供至少一个负供应电压。
Description
技术领域
本发明大体上涉及栅极驱动器。
相关技术的讨论
栅极驱动器是功率放大器，其接收来自控制器的低功率输入并产生用于晶体管(如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))的栅极的高电流驱动输入。栅极驱动器广泛用在功率转换器应用中，如半/全桥逆变器和半/全桥转换器。
发明概要
本发明的至少一个方面是针对栅极驱动器，该栅极驱动器包括电平移位器电路，其被配置为耦合至控制器以用于接收来自控制器的控制信号，每个控制信号具有相对于控制接地的电压，以及用于相对于芯片接地重新定义每个控制信号的电压以生成重新定义的控制信号；栅极驱动器芯片，其被耦合至电平移位器电路并被配置为耦合至至少一个半导体器件，该栅极驱动器芯片进一步被配置为基于重新定义的控制信号向至少一个半导体器件提供双极控制信号；以及至少一个电源，其耦合至栅极驱动器芯片和芯片接地并被配置为向栅极驱动器芯片提供至少一个正供应电压以及向栅极驱动器芯片和向芯片接地提供至少一个负供应电压。
根据一个实施例，至少一个电源包括耦合至栅极驱动器芯片并被配置为向栅极驱动器芯片提供至少一个正供应电压的至少一个正电源供应，以及耦合至栅极驱动器芯片和芯片接地并被配置为向栅极驱动器芯片和芯片接地提供至少一个负供应电压的至少一个负电源供应。在一个实施例中，栅极驱动器芯片包括高压侧驱动器和低压侧驱动器，该高压侧驱动器耦合至电平移位器电路并被配置为耦合至第一半导体器件，该高压侧驱动器还被配置为基于重新定义的控制信号向第一半导体器件提供第一双极控制信号，该低压侧驱动器耦合至电平移位器电路被配置为耦合至第二半导体器件，该低压侧驱动器还被配置为基于重新定义的控制信号向第二半导体器件提供第二双极控制信号。
根据一个实施例，至少一个正电源供应包括第一正电源供应和第二正电源供应，该第一正电源供应耦合至高压侧驱动器并被配置为向高压侧驱动器提供第一正供应电压，该第二正电源供应耦合至低压侧驱动器并被配置为向低压侧驱动器提供第二正供应电压，并且至少一个负电源供应包括第一负电源供应和第二负电源供应，该第一负电源供应耦合至高压侧驱动器并被配置为向高压侧驱动器提供第一负电源供应电压，该第二负电源供应耦合至低压侧驱动器和芯片接地并被配置为向低压侧驱动器和芯片接地提供第二负供应电压。
根据另一实施例，至少一个电源包括至少一个正电源供应和第一电荷泵电路，该至少一个正电源供应耦合至栅极驱动器芯片并被配置为向栅极驱动器芯片提供至少一个正供应电压，该第一电荷泵电路耦合至该至少一个正电源供应、栅极驱动器芯片以及芯片接地，该第一电荷泵电路被配置为从该至少一个正供应电压生成第一负供应电压并向栅极驱动器芯片和向芯片接地提供第一负供应电压。在一个实施例中，栅极驱动器芯片包括高压侧驱动器和低压侧驱动器，该高压侧驱动器耦合至电平移位器电路并具有被配置为耦合至第一半导体器件的第一输出端，该高压侧驱动器还被配置为基于重新定义的控制信号经由第一输出端向第一半导体器件提供第一双极控制信号，该低压侧驱动器耦合至电平移位器电路并具有被配置为耦合至第二半导体器件的第二输出端，该低压侧驱动器还被配置为基于重新定义的控制信号经由第二输出端向第二半导体器件提供第二双极控制信号，其中第一电荷泵电路耦合至该低压侧驱动器并被配置为向该低压侧驱动器提供第一负供应电压。
根据一个实施例，至少一个电源还包括耦合至至少一个正电源供应和高压侧驱动器的第二电荷泵电路，该第二电荷泵电路被配置为从至少一个正供应电压生成第二负供应电压并向高压侧驱动器提供第二负供应电压。在一个实施例中，第一电荷泵电路耦合至第一正电源供应并被配置为从由第一正电源供应提供的第一正供应电压生成第一负供应电压，以及第二电荷泵电路耦合至第二正电源供应并被配置为从由第二正电源供应提供的第二正供应电压生成第二负供应电压。在另一实施例中，第一电荷泵电路耦合至正电源供应并被配置为从由正电源供应提供的正供应电压生成第一负供应电压，以及第二电荷泵电路耦合至正电源供应并被配置为从由正电源供应提供的正供应电压生成第二负供应电压。
根据一个实施例，第一电荷泵电路包括耦合至第二输出端的第一电容器、在第二输出端和第一电容器之间耦合的开关以及耦合至第一电容器和芯片接地的第二电容器，其中在第一操作模式中，开关通过在第二输出端处的高控制信号断开且第一电容器通过高控制信号进行充电，以及其中在第二操作模式中，开关通过在第二输出端处的低控制信号接通，第一电容器放电，并且来自第一电容器的放出的能量对第二电容器进行充电，生成了在芯片接地上的第一负供应电压。在另一实施例中，第一电荷泵电路包括耦合至至少一个正电源供应的振荡器、耦合至振荡器的第一电容器以及耦合至第一电容器和芯片接地的第二电容器，其中在第一操作模式中，振荡器向第一电容器提供高脉冲信号且第一电容器通过高脉冲信号进行充电，以及其中在第二操作模式中，振荡器向第一电容器提供低脉冲信号，第一电容器放电，并且来自第一电容器的放出的能量对第二电容器进行充电，生成了在芯片接地上的负供应电压。
本发明的另一方面是针对用于操作耦合至至少一个半导体器件的栅极驱动器芯片的方法，该方法包括接收来自控制器的控制信号，每个控制信号具有相对于控制接地的电压；相对于芯片接地重新定义每个控制信号的电压以生成重新定义的控制信号；基于重新定义的控制信号利用栅极驱动器芯片生成双极控制信号；向至少一个半导体器件提供双极控制信号；以及利用至少一个电源向栅极驱动器芯片提供至少一个正供应电压且向栅极驱动器芯片和向芯片接地提供至少一个负供应电压。
根据一个实施例，向栅极驱动器芯片提供至少一个正供应电压包括向栅极驱动器芯片的高压侧驱动器提供第一正供应电压和向栅极驱动器芯片的低压侧驱动器提供第二正供应电压。在一个实施例中，向栅极驱动器芯片的高压侧驱动器提供第一正供应电压包括自举第二正供应电压以生成第一正供应电压。在另一实施例中，向栅极驱动器芯片和向芯片接地提供至少一个负供应电压包括向栅极驱动器芯片的高压侧驱动器提供第一负供应电压并且向栅极驱动器芯片的低压侧驱动器和向芯片接地提供第二负供应电压。
根据另一实施例，向栅极驱动器芯片的低压侧驱动器和向芯片接地提供第二负供应电压包括操作电荷泵电路以从第二正供应电压生成第二负供应电压。在一个实施例中，操作电荷泵电路包括在第一操作模式中对电荷泵电路中的第一电容器进行充电、在第二操作模式中使第一电容器放电、在第二操作模式中利用来自第一电容器的放出的能量对电荷泵电路中的第二电容器进行充电以及利用充电的第二电容器生成第二负供应电压。在一个实施例中，对电荷泵电路中的第一电容器充电包括利用来自低压侧驱动器的输出端的能量对第一电容器进行充电。在另一实施例中，对电荷泵电路中的第一电容器充电包括利用来自电荷泵电路中的振荡器的能量对第一电容器进行充电。
本发明的一个方面是针对栅极驱动器，该栅极驱动器包括栅极驱动器芯片和装置，该栅极驱动器芯片被配置为耦合至控制器且被配置为耦合至至少一个半导体器件，该装置用于操作栅极驱动器芯片以基于从控制器接收的单极控制信号向至少一个半导体器件提供双极控制信号，该装置还用于向栅极驱动器芯片提供源自从单个电源供应的电压的至少一个正供应电压和至少一个负供应电压。
附图说明
附图不旨在按比例绘制。在附图中，用相似的数字来表示在各图中示出的每个相同的或几乎相同的组件。为了清楚起见，并不是每一个组件可以被标记在每个附图中。在附图中：
图1是常见的栅极驱动器的框图；
图2是根据本发明的方面的双极栅极驱动器的框图；
图3是根据本发明的方面的电荷泵电路的框图；
图4是根据本发明的方面的基于振荡器的电荷泵电路的框图；以及
图5是根据本发明的方面的单电源供电的双极栅极驱动器的框图。
具体实施方式
本文所讨论的方法和系统的示例并不将其应用限于下面描述中阐述的或者在附图中示出的组件的结构以及布置的细节。该方法和系统能以其他的实施例实现并且能以各种方式来实践或者执行。本文提供具体实现的示例仅用于说明性目的且并不旨在限制。特别地，结合任何一个或者多个示例论述的动作、组件、元素以及特征不旨在排除任何其他的示例中的类似作用。
另外，本文所用的措辞和术语是出于描述的目的并且不应被视为具有限制性。对本文中以单数形式提到的系统和方法的示例、实施例、组件、元素或者动作的任何引用，也可以包含包括复数的实施例，并且本文中以复数形式对任何实施例、组件、元素或者动作的任何引用也可以包含只包括单数的实施例。以单数形式或者复数形式的引用不旨在限制目前公开的系统或者方法、它们的组件、动作或者元素。本文中对“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变型的使用意味着包含其后列举的项目及其等价物以及额外的项目。“或”的引用可被解释为包含的，使得使用“或”所描述的任何项可以指示所描述的项的单个、多于一个以及全部中的任何一种。此外，在本文档和通过引用合并到本文中的文档之间的术语的不一致使用的情况下，在被合并的参考资料中的术语用法对本文档的术语用法进行补充；对于不可调和的不一致性，以本文档中的术语用法为准。
如以上所讨论的，栅极驱动器广泛地用在转换器应用中，如半/全桥逆变器和半/全桥转换器。例如，图1是常见的栅极驱动器100的框图。常见的栅极驱动器100利用标准的(和相对便宜的)高压侧和低压侧驱动器芯片106来驱动转换器/逆变器管脚的两个半导体器件(Q1 102和Q2 104)。栅极驱动器100采用单电源供应108(相对于地面+12V)。对于半导体器件Q2 104所需的DC电压由电源供应108直接提供。对于半导体器件Q1 102所需的DC电压使用自举技术从供电108得到。驱动器芯片106提供跨越每个半导体器件(Q1 102和Q2104)的栅极和源极端子的单极脉冲宽度调制(PWM)脉冲(+12V/0V)。例如，驱动器芯片106施加+12V栅极电压以接通半导体器件，并且施加零栅极电压以断开(并保持断开)半导体器件。通过接通和断开半导体器件，驱动器芯片106控制转换器/逆变器的输出。
随着功率半导体器件技术的进步，新一代的功率切换器件(如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、CoolMOS晶体管、超结MOSFET以及碳化硅(SiC)/氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT))具有非常低的栅极阈值电压(例如，介于1V至2V之间)和在漏极至源极的电压中的非常高的切换变化率(dv/dt)。在漏极至源极的电压中的高变化率(dv/dt)由于互补器件的切换(开/关)可引起断开的半导体器件的栅极电压中的振荡。由于栅极电压在断开的器件中是零，因此振荡可使栅极电压超过栅极阈值电压(例如，<2V)，导致转换器/逆变器的断开的管脚中的击穿故障。
负栅极电压用在本文中所描述的至少一些实施例中，以确保适当的器件断开且转换器/逆变器的可靠操作。本文中描述了采用相对便宜的标准高压侧和低压侧驱动器芯片的双极栅极驱动器。根据至少一个实施例，双极栅极驱动器采用电荷泵电路，以从正电源供应生成负供应电压。
图2是双极栅极驱动器200的框图。双极栅极驱动器200包括高压侧和低压侧驱动器芯片206、数字电平移位器电路202、控制接地204、芯片接地205、高压侧+12V电源208、高压侧-5V电源210、低压侧+12V电源212以及低压侧-5V电源214。根据一个实施例，高压侧和低压侧驱动器芯片206是由加利福尼亚州圣何塞市的飞兆半导体公司(FairchildSemiconductor Corporation)制造的FAN7390MX栅极驱动IC。在另一实施例中，高压侧和低压侧驱动器芯片206是由加利福尼亚州埃尔塞贡多市的International Rectifier制造的IRS2001(S)PbF高压侧和低压侧驱动器。在其他实施例中，可采用另一类型的高压侧和低压侧驱动器芯片。
数字电平移位器电路202被配置为经由PWM高压侧控制线201和PWM低压侧控制线203耦合至PWM控制器224。数字电平移位器电路202也耦合至控制接地204和芯片接地205。驱动器芯片206的高压侧输入端和低压侧输入端耦合至数字电平移位器电路202。驱动器芯片206的高压侧驱动器216的输出端被耦合至转换器/逆变器管脚的半导体器件(Q1)220的栅极端子。驱动器芯片206的低压侧驱动器218的输出端被耦合至转换器/逆变器管脚的半导体器件(Q2)222的栅极端。
高压侧+12V电源供应208的正极端子被耦合至驱动器芯片206的高压侧驱动器216的供应输入端并向供电输入端提供+12V。高压侧-5V电源供应的负极端子被耦合至高压侧驱动器216的接地输入端并向接地输入端提供-5V。高压侧+12V电源供应208的负极端子和高压侧-5V电源供应的正极端子被耦合至半导体器件(Q1)220的源极端子。低压侧+12V电源供应212的正极端子被耦合至驱动器芯片206的低压侧驱动器218的供应输入端并向供应输入端提供+12V。低压侧-5V电源供应214的负极端子被耦合至低压侧驱动器218的接地输入端并向接地输入端提供-5V。低压侧+12V电源供应212的负极端子和低压侧-5V电源供应214的正极端子被耦合至半导体器件(Q2)222的源极端子。
不同于图1中所示的常见的栅极驱动器，栅极驱动器200的芯片接地205不连接至控制接地204，而是连接至低压侧-5V电源供应214。根据一个实施例，高压侧+12V电源供应208、高压侧-5V电源供应210、低压侧+12V电源供应212和/或低压侧-5V电源供应214是分开的电源供应；然而，在其他实施例中，高压侧和/或低压侧供应电压可如以下更详细讨论地生成。
PWM控制器224向PWM高压侧控制线201和PWM低压侧控制线203提供(相对于控制接地204(例如，在0V处)所定义的)PWM控制信号，以控制栅极驱动器200的输出(和相应的转换器/逆变器的输出)。数字电平移位器电路202接收来自PWM控制器224的PWM控制信号、相对于芯片接地205(例如，在-5V处)重新定义PWM控制信号并且向驱动器芯片206提供重新定义的PWM控制信号。
根据一个实施例，数字电平移位器电路202包括比较器芯片。例如，在一个实施例中，数字电平移位器电路202包括由德克萨斯州的达拉斯市的德州仪器公司(TexasInstruments Inc.)制造的LM339四路差分比较器；然而，在其他实施例中，可采用其他比较器。在另一实施例种，数字电平移位器电路202包括模拟MUX芯片。例如，在一个实施例中，数字电平移位器电路202包括由德克萨斯州的达拉斯市的德州仪器公司制造的CD4051/2/3CMOS模拟多路复用器；然而，在其他实施例中，可采用其他的模拟MUX芯片。根据其他实施例，其他电平移位器电路可用于相对于芯片接地205重新定义PWM控制信号。
基于从数字电平移位器电路202接收的重新定义的PWM控制信号，驱动器芯片206操作高压侧驱动器216和低压侧驱动器218，以向每个半导体器件220、222的栅极端子提供所需的控制脉冲。在利用相对于芯片接地205所重新定义的PWM控制信号来驱动驱动器芯片206中，驱动器芯片206(其通常提供单极脉冲(+12V/0V))反而可被操作以提供跨越每个半导体器件(Q1 220和Q2 222)的栅极和源极端子的双极脉冲(+12V/-5V)。例如，响应于从(基于从PWM控制器224接收的初始PWM控制信号的)数字电平移位器电路202接收的重新定义的PWM控制信号，驱动器芯片206操作驱动器216、218以施加+12V至半导体器件220、222的栅极端子，以接通半导体器件220、222，或施加-5V至半导体器件220、222的栅极端子，以断开(和保持断开)半导体器件220、222。
通过(以+12V和-5V的栅极电压)接通和断开半导体器件220、222，驱动器芯片206控制转换器/逆变器的输出。通过采用双极栅极电压来控制半导体器件220、222的状态，驱动器芯片206可防止由于半导体器件的栅极电压中的振荡引起的转换器/逆变器的断开管脚中的意外击穿故障。当断开的半导体器件的栅极电压保持在-5V时，半导体器件的栅极电压中的振荡将可能不超过断开的半导体器件的栅极阈值电压(例如，2V)。
如以上所讨论的，在一个实施例中，高压侧和/或低压侧-5V电源供应210、214是分开的电源供应；然而，在其他实施例中，-5V电源供应电压可由另一电源供应生成。例如，图3是电荷泵电路300的框图，该电荷泵电路300被配置为从在至少一个实施例中使用的+12V电源供应中生成-5V电源供应电压。
电荷泵电路300包括电阻器302、第一二极管304、第二二极管306、第三二极管308、开关310、第一电容器312以及第二电容器314。电阻器302耦合至高压侧和低压侧驱动器芯片的高压侧或低压侧驱动器(例如，以上关于图2所描述的高压侧和低压侧驱动器芯片206的高压侧驱动器216)的输出端301。驱动器216的输出端301也耦合至半导体器件(例如，以上关于图2所描述的半导体器件(Q1)220)的栅极端子303。
第一二极管304耦合在电阻器302和第一电容器312的正极端子之间。开关310耦合在接地316和第一电容器312的正极端子之间。在一个实施例中，开关310是P沟道场效应晶体管(FET)；然而，在其他实施例中，可采用任何其他类型的开关310或晶体管。第二二极管306耦合在第一电容器312的负极端子和接地316之间。接地316也耦合至供应电容器317的负极端子。供应电容器317的正极端子耦合至+12V电源供应(例如，如以上关于图2所讨论的高压侧+12V电源供应208)。高压侧+12V电源供应208也耦合至高压侧驱动器216的供应输入端318。第三二极管308耦合在第一电容器312的负极端子和高压侧驱动器216的接地输入端320之间。第二电容器314的正极端子耦合至接地316。第二电容器314的负极端子耦合至高压侧驱动器216的接地输入端320。
电荷泵电路300从由+12V电源供应208提供的可用+12V中生成跨越第二电容器314的-5V电源供应电压。最初，当不存在来自PWM控制器224的PWM控制信号(和由此的来自数字电平移位器电路202的重新定义的PWM控制信号)时，第二电容器两端的电压为零，并且对于驱动器芯片206的有效偏置供应为+12V(例如，来自+12V电源供应208)。当来自PWM控制器224的PWM控制信号被提供给数字电平移位器电路202且重新定义的PWM控制信号从数字电平移位器电路202被提供给驱动器芯片206(并因此提供给高压侧驱动器216)时，高压侧驱动器216被操作以经由输出端301向半导体器件220的栅极端子303提供单极PWM脉冲。
在高压侧驱动器216的输出端301处的高压栅极驱动脉冲的一部分(例如，来自被提供给高压侧驱动器216的+12V电源供应208的+12V脉冲)经由电阻器302和第一二极管304被提供给第一电容器312，以对第一电容器312进行充电。当第一电容器312正在充电时，FET310保持断开。根据一个实施例，电荷泵电路300还包括可选的稳压二极管322，其耦合在第一电容器312的正极端子和第一电容器312的负极端子之间。稳压二极管322可用于限制第一电容器312两端的电压，并由此将第二电容器314两端的电压限制到所需的电压(例如，5V)。
在高压侧驱动器216的输出端301处的低栅极驱动脉冲接通FET 310，从而使第一电容器312放电并且对第二电容器314充电。第一电容器312被放电且第二电容器314通过路径充电，路径包括第一电容器312的正极端子、FET 310、接地316、第二电容器314、第三二极管308以及第一电容器312的负极端子。
第一二极管304防止第一电容器312在反方向上通过高压侧驱动器216的放电。
通过以这种方式对第一电容器312充电并且使其放电至第二电容器314，在第二电容器314的负极端子处生成-5V电源供应电压。-5V电源供应电压被提供给高压侧驱动器216的接地输入端320，并由高压侧驱动器216使用以向半导体器件220的栅极端子303提供双极脉冲(+12V/-5V)。虽然来自高压侧驱动器216的少许初始栅极驱动脉冲是单极的(+12V/0V)(例如，由于第一电容器312和第二电容器314的两端的初始电压为零)，但在相对短的时间内，驱动器216的最终脉冲是双极的。
如以上所述，电荷泵电路300向高压侧驱动器216供应-5V电源供应电压；然而，电荷泵电路300也可向低压侧驱动器218供应-5V电源供应电压。在这样的实施例中，电荷泵电路300可从低压侧+12V电源供应212生成-5V电源供应电压。仍在这样的实施例中，除了被提供给低压侧驱动器218的接地输入端320之外，在第二电容器314的负极端子处生成的-5V电源供应电压也将被提供给芯片接地205，以将芯片接地保持在-5V处。
图4是另一电荷泵电路400的框图，该电荷泵电路400被配置为从+12V电源供应生成-5V电源供应电压。电荷泵电路400基本上与以上关于图3所描述的电荷泵电路300相同，除了在电荷泵电路400中，电阻器302、第一二极管304以及开关310被替换为振荡器402和电阻器404。振荡器402耦合至高压侧+12V电源供应208，以及电阻器404耦合在振荡器402和第一电容器312的正极端子之间。根据一个实施例，振荡器402是基于555定时器的方波振荡器；然而，在其他实施例中，可采用另一适当类型的振荡器。
不同于电荷泵电路300，通过电荷泵电路400生成负电源供应电压不取决于由驱动器216输出的栅极驱动脉冲。相反，振荡器402向电荷泵电路400提供单极高频脉冲(例如，12V/0V)。
来自振荡器402的高脉冲(例如，来自提供给振荡器402的+12V电源供应208的+12V脉冲)经由电阻器404被提供给第一电容器312，以对第一电容器312充电。来自振荡器402的低脉冲导致第一电容器312的放电和第二电容器314的充电。第一电容器312被放电且第二电容器314通过路径充电，路径包括第一电容器312的正极端子、电阻器404、振荡器402、接地316、第二电容器314、第三二极管308以及第一电容器312的负极端子。
通过以这种方式对第一电容器312充电且将其放电至第二电容器314，在第二电容器314的负极端子处生成-5V电源供应电压。-5V电源供应电压被提供给高压侧驱动器216的接地输入端320，并由高压侧驱动器216使用以向半导体器件220的栅极端子303提供双极PWM脉冲(+12V/-5V)。
如以上所述，电荷泵电路400向高压侧驱动器216供应-5V电源供应电压；然而，电荷泵电路400也可向低压侧驱动器218供应-5V电源供应电压。在这样的实施例中，电荷泵电路400可从低压侧+12V电源供应212生成-5V电源供应电压。仍在这样的实施例中，除了被提供给低压侧驱动器218的接地输入端320之外，在第二电容器314的负极端子处生成的-5V电源供应电压也将被提供给芯片接地205，以将芯片接地保持在-5V处。
电荷泵电路300、400可用于从+12V电源供应中生成-5V电源供应电压。通过从同一+12V电源供应中生成-5V电源供应电压和+12V电源供应电压两者，采用这样的电荷泵电路300、400的栅极驱动器(例如，栅极驱动器200)的花费可被降低，这是由于每侧将仅需要一个电源供应(例如，一个用于驱动器芯片206的高压侧，以及一个用于驱动器芯片206的低压侧)。
如以上所述，包括电荷泵电路的栅极驱动器(例如，如以上关于图3和图4所描述的)可包括从中生成正的和负的高压侧供应电压两者的高压侧电源供应以及从中生成正的和负的低压侧供应电压两者的低压侧电源供应。在至少另一个实施例中，栅极驱动器可从单个的正电源供应生成双极高压侧供应电压和双极低压侧供应电压两者。例如，图5是单供应双极栅极驱动器500的框图。
单供应双极栅极驱动器500基本上与以上关于图2所讨论的双极栅极驱动器200相同，除了在单供应双极栅极驱动器500中，高压侧+12V电源供应208、高压侧-5V电源供应210以及低压侧-5V电源供应214被替换为高压侧电荷泵电路502(例如，如以上关于图3和图4所描述的电荷泵电路300、400中的一个)、低压侧电荷泵电路504(例如，如以上关于图3和图4所描述的电荷泵电路300、400中的一个)、自举二极管508以及自举电容器510。
低压侧电荷泵电路504耦合至低压侧+12V电源供应212的正极端子和负极端子、芯片接地205以及高压侧和低压侧驱动器芯片206的低压侧驱动器218的输出端507。低压侧+12V电源供应212的正极端子经由自举二极管508耦合至高压侧驱动器216的供应输入端。高压侧驱动器216的供应输入端也经由自举电容器510耦合至高压侧电荷泵电路502。高压侧电荷泵电路502也耦合至高压侧驱动器的供应输入端、高压侧驱动器216的输出端506以及高压侧驱动器216的接地输入端。
低压侧+12V电源供应212向低压侧驱动器218的供电输入端提供+12V电源供应电压。低压侧电荷泵电路504从由低压侧+12V电源供应212提供的+12V中生成-5V电源供应电压(例如，如以上关于图3和图4所讨论的)，并且向芯片接地205(并从而向低压侧驱动器218的接地输入端)提供-5V电源供应电压。
通过自举二极管508使用自举技术在自举电容器510两端从低压侧+12V电源供应212中生成被提供给高压侧驱动器216的供应输入端的+12V电源供应电压。高压侧电荷泵电路502从自举电容器510的两端生成的+12V电源供应电压中生成-5V电源供应电压(例如，如以上关于图3和图4所讨论的)，并且向高压侧驱动器216的接地输入端提供-5V电源供应电压。每个栅极驱动器216、218将双极栅极驱动电压(例如，+12V正驱动和-5V负驱动)馈送至转换器/逆变器管脚的其各自的半导体器件220、222。
通过从单个的正的第一供应中生成双极高压侧电源供应电压和双极低压侧电源供应电压，栅极驱动器的花费可降低，这是由于仅使用一个电源供应。
如本文中所描述的，栅极驱动器被配置为将双极脉冲输出给在转换器/逆变器的管脚中的半导体器件的栅极端子；然而，在其他实施例中，栅极驱动器可被配置为将双极脉冲输出给在采用脉冲宽度调制的任何其他应用中所使用的半导体器件的栅极端子。此外，根据其他实施例，栅极驱动器可被配置为将双极脉冲输出给任何其他类型的切换器件。
如本文中所描述的，栅极驱动器被配置为输出+12V和-5V脉冲；然而，在其他实施例中，栅极驱动器可被配置为输出具有不同振幅的脉冲。还如本文中所描述的，栅极驱动器被配置为采用+12V和-5V电源供应电压；然而，在其他实施例中，栅极驱动器可被配置为运行在具有不同振幅的供应电压上。
如本文中所描述的，双极栅极驱动器向两个半导体器件提供控制信号；然而，在其他实施例中，双极栅极驱动器可被配置为向任何数量的半导体器件提供控制信号。还如本文中所描述的，双极栅极驱动器包括两个输出(高压侧输出和低压侧输出)；然而，在其他实施例中，双极栅极驱动器可包括任何数量的输出。还如本文中所描述的，双极栅极驱动器采用单个栅极驱动器芯片；然而，在其他实施例中，可采用任何数量的驱动器芯片。
本文中描述的至少一些实施例提供双极栅极驱动器，该双极栅极驱动器采用相对便宜的标准的高压侧和低压侧驱动器芯片。根据至少一个实施例，双极栅极驱动器重新定义与负芯片接地有关的初始PWM控制信号。通过重新定义PWM控制信号，驱动器芯片(其通常提供单极脉冲)可被操作以向半导体器件的栅极端子提供双极PWM脉冲。通过采用双极栅极电压来控制半导体器件的状态，驱动器芯片可防止由于断开的半导体器件的栅极电压中的振荡引起的意外击穿故障。
根据至少一个实施例，双极栅极驱动器还包括被配置为从正电源供应中生成负供应电压的至少一个电荷泵电路。通过采用至少一个电荷泵电路，可减少为双极栅极驱动器供电所需的单独电源供应的数量。
在这样描述了本发明的至少一个实施方式的几个方面后，应认识到，本领域中的技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。这种变更、修改和改进旨在是本公开的一部分，且旨在本发明的精神和范围内。因此，前文的描述和附图仅仅是示例性的。
Claims (6)
1.一种栅极驱动器，所述栅极驱动器包括：
电平移位器电路，其被配置为耦合至控制器以接收来自所述控制器的控制信号，每个控制信号具有相对于控制接地的电压，并且所述电平移位器电路被配置为相对于芯片接地重新定义每个控制信号的电压以生成重新定义的控制信号；
栅极驱动器芯片，其耦合至所述电平移位器电路并包含高压侧栅极驱动器和低压侧栅极驱动器，所述高压侧栅极驱动器具有被配置为耦合至第一半导体器件的第一输出端，并且所述高压侧栅极驱动器被配置为基于所述重新定义的控制信号经由所述第一输出端向所述第一半导体器件提供第一双极控制信号；以及所述低压侧栅极驱动器具有被配置为耦合至第二半导体器件的第二输出端，并且所述低压侧栅极驱动器被配置为基于所述重新定义的控制信号经由所述第二输出端向所述第二半导体器件提供第二双极控制信号；以及
包括正电源供应并耦合至所述栅极驱动器芯片和所述芯片接地的电源，所述电源被配置为向所述高压侧栅极驱动器提供第一正供应电压和第一负供应电压，向低压侧栅极驱动器提供第二正供应电压，以及向所述低压侧栅极驱动器和所述芯片接地提供第二负供应电压，其中所述电源还被配置为从所述正电源供应的电压得到所述第一正供应电压、所述第一负供应电压、所述第二正供应电压以及所述第二负供应电压，
其中，所述电源包括：
第一电荷泵电路，其耦合至所述正电源供应、所述栅极驱动器芯片以及所述芯片接地，所述第一电荷泵电路被配置为从所述正电源供应的所述电压生成所述第一负供应电压并向所述栅极驱动器芯片和向所述芯片接地提供所述第一负供应电压，
其中，所述第一电荷泵电路包括：
第一电容器，其耦合至所述第二输出端；
开关，其耦合在所述第二输出端和所述第一电容器之间；以及
第二电容器，其耦合至所述第一电容器和所述芯片接地，
其中，在第一操作模式中，所述开关由在所述第二输出端处的高控制信号断开，并且所述第一电容器由所述高控制信号充电，以及
其中，在第二操作模式中，所述开关被在所述第二输出端处的低控制信号接通，所述第一电容器放电，并且来自所述第一电容器的放出的能量对所述第二电容器充电，生成了在所述芯片接地上的所述第一负供应电压。
2.根据权利要求1所述的栅极驱动器，其中，
其中，所述第一电荷泵电路耦合至所述高压侧栅极驱动器并被配置为向所述高压侧栅极驱动器提供所述第一负供应电压。
3.根据权利要求2所述的栅极驱动器，其中，所述电源还包括耦合至所述正电源供应和所述低压侧栅极驱动器的第二电荷泵电路，所述第二电荷泵电路被配置为从所述正电源供应的所述电压生成所述第二负供应电压并向所述低压侧栅极驱动器提供所述第二负供应电压。
4.根据权利要求3所述的栅极驱动器，其中，所述第一电荷泵电路耦合至所述正电源供应并被配置为从所述正电源供应的所述电压生成所述第一负供应电压，以及其中，所述第二电荷泵电路耦合至所述正电源供应并被配置为从所述正电源供应的所述电压生成所述第二负供应电压。
5.一种用于操作包括经由第一输出端耦合到第一半导体器件的高压侧栅极驱动器和经由第二输出端耦合到第二半导体器件的低压侧栅极驱动器的栅极驱动器芯片的方法，所述方法包括：
接收来自控制器的控制信号，每个控制信号具有相对于控制接地的电压；
相对于芯片接地重新定义每个控制信号的电压以生成重新定义的控制信号；
基于所述重新定义的控制信号利用所述栅极驱动器芯片生成第一双极控制信号和第二双极控制信号；
利用所述高压侧栅极驱动器经由所述第一输出端向所述第一半导体器件提供所述第一双极控制信号；
利用所述低压侧栅极驱动器经由所述第二输出端向所述第二半导体器件提供所述第二双极控制信号；
利用包括正电源供应的电源生成第一正供应电压、第一负供应电压、第二正供应电压以及第二负供应电压，所述第一正供应电压、所述第一负供应电压、所述第二正供应电压和所述第二负供应电压从所述正电源供应的电压得到；
利用所述电源向所述高压侧栅极驱动器提供所述第一正供应电压和第一负供应电压；以及
利用所述电源向所述低压侧栅极驱动器提供所述第二正供应电压和所述第二负供应电压，
其中，向所述栅极驱动器芯片的所述高压侧栅极驱动器提供所述第一正供应电压包括自举所述第二正供应电压以生成所述第一正供应电压，
其中，生成所述第二负供应电压包括操作第二电荷泵电路以从所述第二正供应电压生成所述第二负供应电压，
其中，操作所述第二电荷泵电路包括：
在第一操作模式中，对所述第二电荷泵电路中的第一电容器进行充电；
在第二操作模式中，使所述第一电容器放电；
在所述第二操作模式中，利用从所述第一电容器放出的能量对所述第二电荷泵电路中的第二电容器进行充电；以及
利用经充电的第二电容器生成所述第二负供应电压，以及
其中，对所述第二电荷泵电路中的所述第一电容器进行充电包括利用来自所述低压侧栅极驱动器的输出端的能量对所述第一电容器进行充电。
6.一种栅极驱动器，所述栅极驱动器包括：
包括高压侧栅极驱动器和低压侧栅极驱动器的栅极驱动器芯片，所述栅极驱动器芯片被配置为耦合至控制器，至第一半导体器件，以及至第二半导体器件，以及
装置，其基于从所述控制器接收的单极控制信号，用于操作所述高压侧栅极驱动器以经由第一输出端向所述第一半导体器件提供第一双极控制信号以及用于操作所述低压侧栅极驱动器以经由第二输出端向所述第二半导体器件提供第二双极控制信号，用于从包含正供应电压的电源向所述高压侧栅极驱动器提供第一正供应电压和第一负供应电压，以及用于向所述低压侧栅极驱动器提供第二正供应电压和第二负供应电压，其中所述第一正供应电压、所述第一负供应电压、所述第二正供应电压以及所述第二负供应电压从来自单个电源供应的正电压得到，
其中，所述电源包括：
第一电荷泵电路，其耦合至所述正电源供应、所述栅极驱动器芯片以及所述芯片接地，所述第一电荷泵电路被配置为从所述正电源供应的所述电压生成所述第一负供应电压并向所述栅极驱动器芯片和向所述芯片接地提供所述第一负供应电压，
其中，所述第一电荷泵电路包括：
第一电容器，其耦合至所述第二输出端；
开关，其耦合在所述第二输出端和所述第一电容器之间；以及
第二电容器，其耦合至所述第一电容器和所述芯片接地，
其中，在第一操作模式中，所述开关由在所述第二输出端处的高控制信号断开，并且所述第一电容器由所述高控制信号充电，以及
其中，在第二操作模式中，所述开关被在所述第二输出端处的低控制信号接通，所述第一电容器放电，并且来自所述第一电容器的放出的能量对所述第二电容器充电，生成了在所述芯片接地上的所述第一负供应电压。
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