CN106489240A

CN106489240A - 场效应晶体管驱动器

Info

Publication number: CN106489240A
Application number: CN201580039473.5A
Authority: CN
Inventors: E.沃米斯特
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2014-07-22
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2035-07-13
Also published as: US9467140B2; AU2015294471A1; CN106489240B; US20160028393A1; EP3172840A1; WO2016014270A1; EP3172840A4; EP3172840B1

Abstract

提供一种包括输入调制器（202）和隔离电容器（206、304）的场效应晶体管（FET）驱动器。输入调制器被配置成输出交流（AC）信号。隔离电容器被配置成接收AC信号作为输入并且被配置成基于AC信号在滤波电容器（310）中存储电荷。滤波电容器（301）被配置成基于所存储的电荷来驱动电容器驱动的FET（102、208、210、212）。

Description

场效应晶体管驱动器

技术领域

本公开一般地涉及晶体管。更具体地，本公开涉及场效应晶体管驱动器（driver）。

背景技术

针对使用零电势触点（potential free contact）的常规应用，常常实现PhotoMOS或固态继电器。然而，这些继电器可能对于场的某些应用而言过慢或者可能要求其自己的隔离电源。在某些应用中，标准场效应晶体管（FET）驱动器可以被实现为替换物。然而，标准FET驱动器向场添加直流。因此，针对其中不能向场添加直流的应用，标准FET驱动器不能被用作PhotoMOS或固态继电器的替换物。

发明内容

本公开提供一种场效应晶体管（FET）驱动器。

在第一实施例中，FET驱动器包括输入调制器和隔离电容器。输入调制器被配置成输出交流（AC）信号。隔离电容器被配置成接收AC信号作为输入、基于AC信号在滤波电容器中存储电荷、以及基于所存储的电荷来驱动电容器驱动的FET。

在第二实施例中，FET驱动器包括放大器、隔离电容器和滤波电容器。放大器被配置成接收时钟信号和数字信号并且被配置成基于时钟信号和数字信号生成经放大的输出。隔离电容器被配置成基于经放大的输出在滤波电容器中存储电荷。滤波电容器被配置成基于所存储的电荷来驱动电容器驱动的FET。

在第三实施例中，场设备（field device）包括电容器驱动的FET、负载和FET驱动器。负载和FET驱动器被分别耦合到电容器驱动的FET的第一和第二节点。FET驱动器包括隔离电容器并且被配置成驱动电容器驱动的FET而不改变负载的直流值。

从以下图、描述和权利要求，其他技术特征对于本领域技术人而言可以是容易显而易见的。

附图说明

为了对本公开的更彻底的理解，现在参考结合附图所产生的以下描述，在所述附图中：

图1图示根据本公开的实施例的包括电容器驱动的场效应晶体管（FET）和FET驱动器的场设备；

图2A和2B图示根据本公开的实施例的图1的电容器驱动的FET和FET驱动器；以及

图3A和3B图示根据本公开的实施例的图1的FET驱动器。

具体实施方式

在本专利文档中用来描述本发明的原理的各种实施例和下面讨论的图1到3B仅作为例证并且无论如何不应该被解释成限制本发明的范围。本领域那些技术人员将理解，可以以任何类型的适当布置的设备或系统来实现本发明的原理。

图1图示根据本公开的实施例的包括电容器驱动的场效应晶体管（FET）102和FET驱动器104的场设备100。在图1中示出的场设备100的实施例仅用于例证。可以在不脱离本公开的范围的情况下使用场设备100的其他实施例。

除电容器驱动的FET 102和FET驱动器104之外，场设备100还包括负载和驱动级（driver stage）。针对某些实施例，负载可以被耦合到高压V₊，而驱动级被耦合到地或0V。针对其他实施例，驱动级可以被耦合到高压，而负载被耦合到地。因此，所图示的实施例包括负载/驱动级106和负载/驱动级108的表示，用以指示这些部件106和108中的一个是负载并且另一个是驱动级。因此，负载/驱动器功能位置是自由的并且可以在使用期间交换位置。

FET驱动器104被配置成使用隔离电容器（在图1中未示出）来驱动电容器驱动的FET 102。隔离电容器阻止直流（DC）信号到达电容器驱动的FET 102以及，因此到达负载106或108。因此，代替对电容器驱动的FET 102的光学开/关控制，FET驱动器104被配置成实现对电容器驱动的FET 102的电容器耦合的开/关控制。相应地，代替接收光子，FET驱动器104可以被配置成接收AC信号，诸如时钟信号，并且配置成通过施加或者不施加AC信号到隔离电容器来接通和断开电容器驱动的FET 102。

以该方式，与PhotoMOS相比，对于电容器驱动的FET 102所实现的开关速度高得多（例如，速度可以是其的多于10倍），并且开关行为和定时被更好地控制并且是可重复的。另外，因为隔离电容器将FET驱动器104耦合到电容器驱动的FET 102，所以FET驱动器104被配置成驱动电容器驱动的FET 102而不影响场环路（field loop）的直流（DC）值，其可以被用作返回路径。这在工业的场设备或在使用场环路上的DC值来传达信息的其他设备的情况下可以是特别有用的。

尽管图1图示场设备100的一个示例，但是可以对图1的实施例做出各种改变。例如，可以组合、进一步细分、移动或省略场设备100的各种部件，并且可以根据特定需要来添加附加部件。

图2A和2B图示根据本公开的实施例的电容器驱动的FET 102和FET驱动器104。在图2A和2B中示出的电容器驱动的FET 102和FET驱动器104的实施例仅用于例证。可以在不脱离本公开的范围的情况下使用电容器驱动的FET 102和FET驱动器104的其他实施例。

针对图2A中图示的实施例，FET驱动器104包括输入调制器（IM）202、隔离电容器204和缓冲器206。输入调制器202（其可以包括与门（AND gate））被配置成接收数字信号S_x、时钟信号Clk和低压信号V_-。数字信号起开/关信号（On/Off signal）的作用，并且时钟信号提供AC信号。当数字信号为开时，输入调制器202的输出随着时钟信号的频率而上下振荡。类似地，当数字信号为关时，输入调制器202的输出为关或零。因此，当数字信号为开时，能量被传送到隔离电容器204，并且当数字信号为关时，没有能量被传送到隔离电容器204。隔离电容器204被配置成将AC信号从输入调制器202传送到FET源极侧。缓冲器206被配置成整流和存储AC信号并且被配置成驱动电容器驱动的FET 102。

同样针对在图2A中图示的实施例，电容器驱动的FET 102包括以双极开关配置的两个串联耦合的FET 208和210。因此，FET 208的一个节点被耦合到负载/驱动级106，并且FET 210的一个节点被耦合到负载/驱动级108。与PhotoMOS继电器相比，使用FET驱动器104中的输入调制器202和隔离电容器204允许电容器驱动的FET 102更快地开关并且还允许其不太昂贵。

针对在图2B中图示的实施例，FET驱动器104被配置成与图2A的FET驱动器104相同。然而，该实施例中的电容器驱动的FET 102包括以单极开关配置的单个FET 212。因此，FET 212的一个节点被耦合到负载/驱动级106，并且FET 212的另一个节点被耦合到负载/驱动级108。

尽管图2A和2B图示电容器驱动的FET 102和FET驱动器104的示例，但是可以对图2A和2B的实施例做出各种改变。例如，可以组合、进一步细分、移动或省略各种部件，并且可以根据特定需要来添加附加部件。作为具体示例，缓冲器206可以包括用以减小实际接通和/或断开传送时间的附加部件。

图3A和3B图示根据本公开的实施例的FET驱动器104。在图3A和3B中示出的FET驱动器104的实施例仅用于例证。可以在不脱离本公开的范围的情况下使用FET驱动器104的其他实施例。

针对在图3A中图示的实施例，FET驱动器104包括与门302、放大器306、隔离电容器304、整流器308、滤波电容器310和放电电阻器312。放大器306包括晶体管314、电阻器316和电阻器318。整流器308包括两个二极管320和322。

与门302被配置成起输入调制器的作用。放大器306被配置成通过使用基于比率R₂/R₁的放大因子来放大与门302的输出，这里R₁是电阻器316的电阻并且R₂是电阻器318的电阻。以该方式，可以使滤波电容器310上的经整流的电压高到足以驱动电容器驱动的FET102的栅极。整流器308被配置成对从隔离电容器304输出的振荡信号进行整流并且被配置成使用经整流的信号对滤波电容器310进行充电。当足够的电压被存储在滤波电容器310上时，电容器驱动的FET 102被接通。为了断开电容器驱动的FET 102，断开到与门302的开/关信号使得隔离电容器304不接收电荷。在该情况下，放电电阻器312被配置成对存储在滤波电容器310上的电压进行放电。

以该方式，AC信号（诸如时钟信号Clk）可以利用与门302处的开/关信号来被接通或断开、被传送通过隔离电容器304以移除任何DC电流、被整流器308整流，以及被存储在滤波电容器310上以驱动电容器驱动的FET 102的栅极而不改变场电流的DC值。因此，当期望速度时，可以将FET驱动器104实现成提供相对快的开关而不干扰流过负载106或108的DC电流。

针对在图3B中图示的实施例，FET驱动器104类似于图3A的FET驱动器104。然而，针对该实施例，从FET驱动器104省略与门302。针对该示例，施加开/关信号到晶体管314的基极而不是到与门。而且，代替施加时钟信号到与门和施加低压信号V_-到电阻器316，施加时钟信号到电阻器316。

尽管图3A和3B每个图示FET驱动器104的一个示例，但是可以对图3A和3B的实施例做出各种改变。例如，可以组合、进一步细分、移动或省略这些FET驱动器104中的任一个的各种部件，并且可以根据特定需要来添加附加部件。特别地，针对一个示例，滤波电容器310可以是可选的。电容器驱动的FET 102的栅极到源极电容可以提供由滤波电容器310另外提供的电容。另外，为了对接通延迟和/或断开延迟的更多控制，可以将附加部件包括在隔离电容器304的电容器驱动的FET侧上。

阐述贯穿本专利文档使用的某些词和短语的定义可以是有利的。术语“包括”和“包含”及其衍生物意味着包括而不限制。术语“或”是包括的，意味着和/或。短语“与……相关联”以及其衍生物可以意味着包括、被包括在……内、与……互连、包含、被包含在……内、连接到或与……连接、耦合到或与……耦合、可与……传递的、与……协作、交织、并置、接近于、被束缚在……上或被与……束缚、具有、具有……的属性、具有与……的关系、或诸如此类。短语“……中的至少一个”当与项的列表一起使用时意味着可以使用列出的项中的一个或多个的不同组合并且仅可能需要列表中的一个项。例如，“A、B和C中的至少一个”包括以下组合中的任何：“A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A和B和C。

虽然本公开已经描述某些实施例以及一般相关联的方法，但是这些实施例和方法的变更和置换对于本领域那些技术人员而言将是显而易见的。相应地，示例实施例的上面的描述不限定或约束本公开。在不脱离如由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，其他改变、代替和变更也是可能的。

Claims

1.一种场效应晶体管（FET）驱动器，包括：

输入调制器（202），其被配置成输出交流（AC）信号；以及

隔离电容器（206、304），其被配置成接收AC信号作为输入、基于AC信号在滤波电容器（310）中存储电荷、以及基于所存储的电荷来驱动电容器驱动的FET（102、208、210、212）。

2.根据权利要求1所述的FET驱动器，其中输入调制器包括与门（302），所述与门（302）被配置成接收时钟信号和数字信号并且被配置成基于数字信号来使时钟信号通过以生成AC信号。

3.根据权利要求1所述的FET驱动器，其中：

电容器驱动的FET包括耦合在负载（106、108）与驱动级（106、108）之间的FET（212），并且

放大器（306）的第一节点被耦合到隔离电容器，放大器的第二节点被耦合到FET的栅极，并且放大器的第三节点被耦合到FET的源极。

4.根据权利要求1所述的FET驱动器，其中：

电容器驱动的FET包括串联地耦合在负载（106、108）与驱动级（106、108）之间的第一FET（208）和第二FET（210），并且

放大器（306）的第一节点被耦合到隔离电容器，放大器的第二节点被耦合到第一FET的栅极和第二FET的栅极，并且放大器的第三节点被耦合到第一FET的源极和第二FET的源极。

5.一种场效应晶体管（FET）驱动器，包括：

放大器（306），其被配置成接收时钟信号和数字信号并且被配置成基于时钟信号和数字信号生成经放大的输出；

滤波电容器（310），其被配置成基于电荷驱动电容器驱动的FET（102、208、210、212）；以及

隔离电容器（206、304），其被配置成基于经放大的输出将电荷存储在滤波电容器中。

6.根据权利要求5所述的FET驱动器，进一步包括：

整流器（308），其被配置成对隔离电容器的输出进行整流以生成经整流的输出，

其中滤波电容器被进一步配置成基于经整流的输出来驱动电容器驱动的FET.

7.根据权利要求5所述的FET驱动器，进一步包括输入调制器（202），其被配置成将时钟信号和数字信号提供给放大器.

8.根据权利要求5所述的FET驱动器，进一步包括放电电阻器（312），其被配置成对来自滤波电容器的电荷进行放电.

9.根据权利要求5所述的FET驱动器，其中：

放大器包括第一电阻器（316）、第二电阻器（318）和晶体管（314），

第一电阻器被耦合在晶体管的发射极与时钟信号之间，并且

第二电阻器被耦合在高压与晶体管的集电极之间.

10.根据权利要求5所述的FET驱动器，其中：

第一电阻器被耦合在晶体管的发射极与低压之间，并且

第二电阻器被耦合在高压与晶体管的集电极之间.

11.根据权利要求5所述的FET驱动器，其中：

放大器包括第一电阻器（316）、第二电阻器（318）和晶体管（314），并且

隔离电容器的节点被耦合在第二电阻器与晶体管的集电极之间.

12.一种场设备，包括：

电容器驱动的场效应晶体管（FET）（102、208、210、212）；

负载（106、108），其被耦合到电容器驱动的FET的第一节点；以及

FET驱动器（104），其被耦合到电容器驱动的FET的第二节点，其中FET驱动器包括隔离电容器（206、304），并且其中FET驱动器被配置成驱动电容器驱动的FET而不改变负载的直流值.

13.根据权利要求13所述的场设备，其中隔离电容器被配置成接收交流（AC）信号作为输入、基于AC信号在滤波电容器（310）中存储电荷、以及基于所存储的电荷来驱动电容器驱动的FET.

14.根据权利要求13所述的场设备，其中FET驱动器进一步包括：

放大器（306），其被配置成接收时钟信号和数字信号并且被配置成基于时钟信号和数字信号生成经放大的输出；以及

滤波电容器（310），其被配置成基于电荷驱动电容器驱动的FET，其中隔离电容器被配置成基于经放大的输出将电荷存储在滤波电容器中。