CN107800423B - 实现功率晶体管的切换的方法和电路及相关系统 - Google Patents

实现功率晶体管的切换的方法和电路及相关系统 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于实现功率晶体管的切换的方法和电路及包括这种电路的系统。电路包括被配置为接收输入信号的输入端子。高边驱动器被配置为基于输入信号经由高边端子向高边功率晶体管提供高边控制信号。低边驱动器被配置为基于输入信号经由低边端子向低边功率晶体管提供低边控制信号。接口被配置为经由电容器将高边端子与低边端子耦接。

Description

实现功率晶体管的切换的方法和电路及相关系统
技术领域
各种实施方式涉及包括高边驱动器、低边驱动器以及接口的电路，高边驱动器被配置为基于输入信号经由高边端子向高边功率晶体管提供高边控制信号，低边驱动器被配置为基于输入信号经由低边端子向低边功率晶体管提供低边控制信号，接口被配置为经由电容器将高边端子与低边端子耦接。
背景技术
固态功率晶体管用于各种应用，例如对提供给电动车辆的发动机的负载电流进行切换。有时，鉴于特定应用的要求，功率晶体管的切换持续时间太短。例如，如果使用功率晶体管对提供给电动车辆的发动机的负载电流进行切换，则短的切换持续时间会导致发动机的损坏。例如，提供给电动车辆的发动机的驱动电流的快速切换会导致相应致动器的初级绕组的磨损增加和/或转子的轴承的损坏。
在一些示例中，功率晶体管的切换持续时间可以通过采用控制电阻器进行调整，控制电阻器对提供给相应功率晶体管的控制触点的控制信号进行修改。然而，已经发现通过适当地确定控制电阻器的电阻率大小来调整切换持续时间仅可能在相当有限的范围内进行。
此外，通常相对于功率晶体管具有最短切换持续时间的工作范围来确定控制电阻器的电阻率大小。通常，该工作范围对应于低温和由功率晶体管切换的小负载电流。一旦设置了控制电阻器的电阻率，则电阻率是固定的并且不能轻易改变。这可能导致不同工作范围内的切换持续时间的缩短；例如随着老化的增加或温度的变化可能会遇到不同的工作范围。因此导致较高的功率损耗。
所有这些导致了确定控制电阻器的电阻率大小的繁琐工作。确定大小是易于出错的。
发明内容
因此，需要为功率晶体管提供控制信号的先进技术。特别地，需要克服或减轻至少一些上述问题的相应电路和方法。
在示例中，电路包括输入端子。输入端子被配置为接收输入信号。电路还包括高边驱动器。高边驱动器被配置为基于输入信号经由高边端子向高边功率晶体管提供高边控制信号。电路还包括低边驱动器。低边驱动器被配置为基于输入信号经由低边端子向低边功率晶体管提供低边控制信号。电路还包括被配置为经由电容器将高边端子与低边端子耦接的接口。
在示例中，一种方法包括接收输入信号以及基于输入信号向高边功率晶体管提供高边控制信号。该方法还包括基于输入信号向低边功率晶体管提供低边控制信号。该方法还包括经由电容器将高边端子与低边端子耦接。
在示例中，电路包括输入端子。输入端子被配置为接收输入信号。电路还包括高边驱动器。高边驱动器被配置为基于输入信号经由高边端子向高边功率晶体管提供高边控制信号。电路还包括被配置为经由电容器将高边端子与低边端子耦接的接口，低边端子可以从低边驱动器向低边功率晶体管提供低边控制信号。
在示例中，电路包括输入端子。输入端子被配置为接收输入信号。电路还包括低边驱动器。低边驱动器被配置为基于输入信号经由低边端子向低边功率晶体管提供低边控制信号。电路还包括被配置为经由电容器将低边端子与高边端子耦接的接口，高边端子可以从高边驱动器向高边功率晶体管提供高边控制信号。
应当理解，上述特征以及下面将要解释的特征不仅可以以所指出的相应组合来使用，而且可以在不脱离本发明的范围的情况下以其他组合来使用或孤立使用。
附图说明
图1是根据各种实施方式的包括半桥驱动电路、高边控制电阻器、高边功率晶体管、低边控制电阻器以及低边功率晶体管的系统的电路图；
图2是更详细地示出图1的系统的半桥驱动电路的电路图，根据各种实施方式，半桥驱动电路包括被配置为经由电容器将高边和低边耦接的接口；
图3是更详细地示出图1的系统的半桥驱动电路的电路图，根据各种实施方式，半桥驱动电路包括被配置为经由电容器将高边和低边耦接的接口；
图4示意性地示出了根据各种实施方式的到半桥驱动电路的逻辑输入信号、通过功率晶体管的负载电流以及通过接口的平衡电流的随时间的演变；以及
图5是根据各种实施方式的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施方式。应当理解，以下对实施方式的描述不被认为是限制性的。本发明的范围并不旨在由下文描述的实施方式或附图所限制，这些实施方式或附图仅被认为是说明性的。
附图被认为是示意图示，并且附图中所示的元素不一定是按比例示出。相反地，各种元件被表示成使它们的功能和一般目的对于本领域技术人员而言是明显的。附图中示出的或本文所描述的功能块、器件、部件或其他物理或功能单元之间的任何连接或耦接也可以通过间接的连接或耦接来实现。部件之间的耦接也可以通过无线连接来建立。功能块可以以硬件、固件、软件或其组合来实现。
在下文中，描述了向功率晶体管提供控制信号的技术。功率晶体管可以被配置为对具有大于50A、优选地大于100A的振幅的驱动电流进行切换。功率晶体管可以被实现为诸如半导体器件的固态器件。功率晶体管可以被实现为双极型晶体管或场效应晶体管(FET)。示例包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。晶体管通常具有控制触点以接收控制信号。对于FET和IGBT，控制触点通常标记为栅极；对于双极型晶体管，控制触点通常标记为基极。晶体管通常具有两个负载触点；负载触点之间的负载电流在量级上可以被控制并且最终由控制信号切换。对于FET，负载触点通常标记为源极和漏极；对于双极型晶体管和IGBT，负载触点通常被称为发射极和集电极。
根据功率晶体管的特定实现，控制信号可以是电压信号或电流信号中的至少一个，例如具有在100mA至2A范围内的振幅。例如，控制信号可以将例如相对于负载触点之一的限定电位施加到功率晶体管的控制触点。
在下文中，为了简单起见，关于IGBT功率晶体管描述了各种示例。此处，控制信号通常对应于控制电流，以及施加到功率晶体管的基极触点的电位。然而，类似的技术可以容易地应用于例如功率FET或双极型功率晶体管。
在一些示例中，描述了被配置为提供一个或更多个控制信号的电路。通常，这种电路被称为驱动电路。在一些示例中，驱动电路被整合在基板上，即形成集成电路(IC)。然后，驱动IC可以具有与环境通信的端子。端子可以由接合焊盘，接触插头等形成。为了简单起见，下文涉及驱动IC；然而，这些示例可以容易地应用于其他电路设计技术，例如包括表面安装元件。
例如，驱动IC可以包括被配置为接收输入信号的输入端子。输入信号可以是逻辑信号，即具有限定的高信号电平和限定的低信号电平。在一些示例中，输入信号可以是互补输入信号：此处，输入信号可以包括交替地呈现高信号电平的两个分量。互补输入信号有可能包括停滞时间，即，在第一分量和第二分量之间呈现高信号电平的持续时间，在这期间，两个分量都处于低信号电平(反之亦然)。
例如，驱动IC可以包括一个或更多个输出端子，经由该输出端子输出一个或更多个控制信号。
在一些示例中，功率晶体管可以布置成半桥结构。然后，半桥驱动IC被配置为向高边功率晶体管提供高边控制信号，并且还向低边功率晶体管提供低边控制信号。高边功率晶体管和低边功率晶体管被布置成串联连接在电源电压与接地之间。低边功率晶体管的参考电位通常是发射极电位或接地；而高边功率晶体管的参考电位例如对于布置在高边功率晶体管的发射极侧的双极型晶体管或IGBT而言通常是两个功率晶体管之间的中心点的电位。通常，由半桥驱动IC接收的输入信号是包括交替地呈现高信号电平的高边分量和低边分量的互补输入信号。还可以应用自举结构。
在下文中，关于半桥驱动电路描述了各种示例，其包括具有高边驱动器的高边和具有低边驱动器的低边。然而，各种技术可以容易地应用于通用功率晶体管驱动器，该通用功率晶体管驱动器可以用于根据特定应用来控制高边功率晶体管以及以同样的方式控制低边功率晶体管。例如，本文描述的关于高边的特征的各种技术可以应用于这种驱动电路。例如，本文描述的关于低边的特征的各种技术可以应用于这种驱动电路。此处，两个这种通用驱动器可以组合成半桥驱动电路。本文描述的各种技术包括以对应的方式涉及高边和低边的示例。各种技术可以容易地用于通用驱动器，该通用驱动器可以用于驱动高边以及以同样的方式驱动低边。高边的特征可以被孤立地应用于通用驱动电路。低边的特征可以被孤立地应用于通用驱动电路。
在一些示例中，半桥驱动IC的高边和半桥驱动IC的低边可以经由电容器耦接。为此，在一些示例中，半桥驱动IC可以包括被配置为经由电容器将高边端子与低边端子耦接的接口。接口可以包括端子：此处，电容器可以不构成IC的一部分；相反地，电容器可以是分立器件，例如通过表面安装技术与IC耦接。
通过提供电容器，可以调整功率晶体管的切换持续时间。特别地，可以使用通过电容器接收和发送的平衡信号来修改控制信号。当接通功率晶体管时，电容器可以接收从相应控制信号分路出来的平衡信号；因此，控制信号的斜率减小，使得相应功率晶体管的切换持续时间延长。同样地，当关断功率晶体管时，电容器可以提供被分路到相应控制信号中的平衡信号；因此，控制信号的减小被延迟，使得相应功率晶体管的切换持续时间延长。在一些示例中，可以通过适当地确定电容器的容量大小来调整切换持续时间。
图1示出了关于系统100的各方面，其包括以半桥结构布置的高边IGBT功率晶体管139和低边IGBT功率晶体管149。功率晶体管139、149具有反并联二极管(续流二极管)。系统100还包括半桥驱动IC 101。
跨功率晶体管139、149的串联连接施加电源电压91。高边IGBT功率晶体管139的集电极端子连接至电源电压91的正电位DC+。低边IGBT功率晶体管149的发射极端子连接至电源电压91的参考电位PWGND。虽然在图1中采用IGBT晶体管，但是其他示例可以采用双极型晶体管或FET等。
电流81被提供给功率晶体管139的集电极端子，并且负载电流82被提供给功率晶体管149的集电极端子。如果控制信号允许，则电流81、82可以在功率晶体管139、149的负载触点之间流动。在图1的示例中，负载电流81、82对应于集电极-发射极电流。图1中还示出了电流83、84，这些对应于控制电流。根据功率晶体管139的相对于功率晶体管139的发射极处的电位(高边参考电位)的栅极电位137，即根据栅极-发射极电压，高边功率晶体管139是导通的或非导通的并且支持变化的负载电流81。对于低边功率晶体管149有类似的考虑。此处，低边参考电位接地，并且相应电位147被施加到栅极。跨低边功率晶体管149两端设置了输出电压92，这导致负载电流85被提供给负载。
控制电阻器139-1、149-1的电阻率确定了功率晶体管139、149的切换持续时间大小。通常，控制电阻器139-1、149-1不与半桥驱动IC 101整合，而是分立器件。
在本文描述的各种示例中，不需要提供控制电阻器139-1、149-1。然而，在一些示例中可以提供控制电阻器139-1、149-1。
半桥驱动IC 101被配置为接收包括高边分量251和低边分量261的输入信号。基于输入信号的高边分量251，通过半桥驱动IC 101将高边控制电流83提供给高边功率晶体管139。基于输入信号的低边分量261，通过半桥驱动IC 101将低边控制电流84提供给低边功率晶体管149。
图2示出了关于系统100的各方面，其包括以半桥结构布置的高边功率晶体管139和低边功率晶体管149。系统100还包括半桥驱动IC 101(图2中的虚线)。图1大体上对应于图2。图2还详细地示出了关于半桥驱动IC 101的各方面。
图2示出的是半桥驱动IC 101的高边108的高边驱动器134以及半桥驱动IC 101的低边107的低边驱动器144。高边驱动器134被配置为基于输入信号的高边分量251经由高边端子711向高边功率晶体管139提供高边控制电流83。经由相应输入端子701接收高边分量251。低边驱动器144被配置为基于输入信号的低边分量261经由低边端子712向低边功率晶体管149提供低边控制电流84。经由相应输入端子702接收低边分量261。驱动器134、144还在端子711、712处提供相应电位137、147。
此外，图2示出的是半桥驱动IC 101的高边108与驱动IC 101的低边107之间的接口120。接口120使得能够将半桥驱动IC 101的高边108和低边107耦接。特别地，在图2的示例中，接口120使得能够经由电容器125将高边端子711和低边端子712耦接。电容器是分立器件，而不是驱动IC 101的一部分，并且经由端子751、752接触。
这种经由接口120和电容器125的耦接支持平衡电流171、172。平衡电流171、172可以具有显著的交流AC分量，这是因为平衡电流171、172来源于开关过程，在此过程中控制电流83、84的时间导数是显著的。平衡电流171、172可以对电容器125进行充电和放电和/或可以流过电容器125。
在图2中，示出了在与高边功率晶体管139的激活对应的切换过程期间从高边108流出并经过电容器125流向低边107的平衡电流171；没有示出在与高边功率晶体管139的去激活对应的切换过程期间从电容器125流向高边108的相应平衡电流。同样地，在图2中，示出了在与低边功率晶体管149的激活对应的切换过程期间从低边107流出并经过电容器125流向高边108的平衡电流172；没有示出在与低边功率晶体管149的去激活对应的切换过程期间从电容器125流向低边107的相应平衡电流。
平衡电流171、172可以从控制电流83、84中分路出来/被分路到控制电流83、84中。因此，在切换过程期间控制电流83、84的瞬时振幅减小。这导致功率晶体管139、149的切换持续时间更长。
例如，可以通过使用平衡电流171、172作为对端子711、712处的电位变化率进行调整的控制来实现瞬时振幅的这种变化。这可以采用推挽式结构(图2中未示出)来实现，推挽式结构使用平衡电流171、172控制。
在图2中，半桥驱动IC 101还包括与接口120和高边端子711耦接的高边链路133，并且被配置为基于由接口120提供的平衡电流171来修改由高边端子711提供的高边控制电流83。此外，在图2中，半桥驱动IC 101包括与接口120和低边端子712耦接的低边链路143，并且低边链路143被配置为基于由接口120提供的平衡电流172来修改由低边端子712提供的低边控制电流84。
链路133、143可以可替选地或额外地基于由接口120提供的平衡信号171、172来修改相应电位137、147。
在图2中，分别示出了作为加法器的高边链路133和低边链路143的示例实现。在其他示例中，可以使用高边链路133和/或低边链路的其他实现。
半桥驱动IC 101还包括被布置在高边链路133和高边端子711之间的高边放大器136。高边放大器136被配置为对修改的高边控制电流83进行放大。
通过放大高边驱动器134下游的和高边链路133下游的高边控制电流83，使得能够采用低电压和低电流实现相应逻辑。这有助于相应逻辑的高度集成。此外，能量消耗有限。
例如，高边放大器136可以被配置为以给定的增益放大高边控制电流83。增益可以是预先限定的。在其他示例中，高边放大器136可以可选地包括控制端子，经由控制端子接收的控制信号可以配置增益。在图2的示例中，示出了经由高边控制电阻器181将高边放大器136的控制端子与存在于功率晶体管139的发射极的高边参考电位耦接的实现。电阻器181的电阻率限定了放大器136的增益。
进而，可以使用可变增益来调整切换持续时间：特别地，通过关于平衡电流171和增益适当地确定由驱动器134提供的高边控制电流83大小，可以使控制电流83达到阈值电流加速或延迟。
在图2的示例中，高边控制电阻器181未被整合在与半桥驱动IC 101相同的基板上；相反地，电阻器181被实现为分立器件，例如以表面安装技术附接至基板。因此，可以在制造批次不同的器件之间简单地更换电阻器181，从而调整相应电阻率，并且进而调整切换持续时间。
以上描述了关于高边放大器136和高边控制电阻器181的各个方面。类似的方面可以直接应用于相应低边放大器146和相应低边控制电阻器182。
在图2的示例中，系统100的电容器125未被整合在与半桥驱动IC101相同的基板上；相反地，电容器125被实现为分立器件，例如附接至基板。因此，可以在不同制造批次的器件之间简单地更换电容器125，从而调整相应容量，并且进而调整平衡电流171、172以及因此调整切换持续时间。
此外，通过将电容器125作为分立器件实现，可以使用相当大的电容。例如，电容器125可以具有至少10pF的电容，可选地至少50pF，还可选地至少100pF。电容器125可以是高压电容器125。通过相应地确定电容器125的电容大小，可以将切换持续时间调整显著量。
在图2的示例中，接口120还包括与高边链路133相关联的高边开关132。特别地，高边开关132被布置成与链路133相邻。接口120还包括与低边链路143相关联的低边开关142。特别地，低边开关142被布置成与链路143相邻。
通过使用开关132、142，可以重新使用相同的电容器125对高边控制电流83以及低边控制电流84两者进行修改。这使得能够达到更高的整合，此外，元件的数量减少并且因此复杂性降低。
高边开关132被布置在高边链路133和电容器125之间，并且被配置为根据高边开关132的激活的开关位置选择性地在高边链路133和电容器之间传送平衡电流171：在图2的特定示例中，传送平衡电流171的激活的开关位置对应于开关132的导通状态。通常，根据开关132的布置，非导通状态也可能对应于传送平衡电流171。为了简单起见，在下文中，开关132的修改位置应指传送平衡电流171从而修改相应控制电流83、84的开关位置，而开关132的非修改位置应指不传送平衡电流171从而不修改控制电流的开关位置。
同样地，低边开关142被布置在低边链路143和电容器125之间，并且被配置为根据低边开关142的激活的开关位置选择性在低边链路143和电容器125之间传送平衡电流172。低边开关142被配置为在修改位置(非修改位置)中传送(不传送)平衡电流172。
通过交替地操作开关132、142，可以避免功率晶体管139、149的非有意切换。特别地，在高边功率晶体管139的切换过程期间，低边开关142的非修改位置可以被激活，因此避免了相应平衡电流171向低边链路143传播。这防止了低边功率晶体管149的非有意切换。同样地，在低边功率晶体管149的切换过程期间，高边开关132的非修改位置可以被激活，因此避免了相应平衡电流172向高边链路133传播。这防止了高边功率晶体管139的非有意切换。
因此，如上所述可以理解，半桥驱动IC 101被配置为根据高边开关132的激活的开关位置、基于平衡电流171选择性地修改高边控制电流83。同样地，半桥驱动IC 101被配置为根据低边开关142的激活的开关位置、基于平衡电流172选择性地修改低边控制电流84。
为了支持平衡电流171、172，提供了高边钳位131和低边钳位141。钳位131、141可以吸收与平衡电流171、172相关联的电荷。钳位131、141是可选的。尽管在图2中示出的钳位131、141是基于二极管实现的，但可以使用其他种类和类型的钳位电路。
为了适当地操作开关132、142，可以提供控制逻辑(图2中未示出)。例如，控制逻辑可以是微控制器或处理器或专用IC(ASIC)。控制逻辑可以与半桥驱动IC 101整合。控制逻辑可以与输入端子701、702耦接，并且可以被配置为基于输入信号251、261分别激活开关132、142的不同开关位置。
例如，响应于输入信号的高边分量251从低信号电平转换到高信号电平，控制逻辑可以激活低边开关142的非修改位置，并且可以激活高边开关132的修改位置。例如，响应于输入信号的高边分量251从高信号电平转换到低信号电平，控制逻辑可以对高边开关132的修改位置进行去激活，可能带有一些时延。
例如，响应于输入信号的低边分量261从低信号电平转换到高信号电平，控制逻辑可以激活低边开关142的修改位置，并且可以激活高边开关132的非修改位置。例如，响应于输入信号的低边分量261从高转换到低，控制逻辑可以对低边开关142的修改位置进行去激活，可能带有一些时延。
在一些示例中，控制逻辑器件还可以与端子711、712耦接，并且被配置为基于对应的驱动电流83、84和/或基于电位137、147分别激活开关132、142的不同开关位置。在这种场景下，可以在输入信号的相应分量251、261从高信号转换为低信号之后引入一些时延，因此，可能导致关断功率晶体管139、149时有限的切换持续时间，即在输入信号的相应分量251、261已经处于低信号电平但相应功率晶体管139、149仍然导通的状态。在切换持续时间期间，如果相应开关132、142在修改位置保持一段时间，则基于对应的平衡电流171、172修改相应控制电流83、84仍然是可能的。这允许调整对应于关断功率晶体管139、149的切换过程的切换持续时间。特别地，可以减小相应控制电流83、84的时域减小。
图3示出了关于系统100的各方面，其包括以半桥结构布置的高边功率晶体管139和低边功率晶体管149。系统100还包括半桥驱动IC 101(图3中的虚线)。图3大体上对应于图1。图3还详细地示出了关于半桥驱动IC 101的各方面。
在图3的示例中，放大器331、341提供输入信号。
在图3的示例中，高边驱动器134以推挽式结构实现。此处，高边驱动器134包括高边上拉P沟道晶体管333和高边下拉N沟道晶体管332。晶体管332、333二者都根据输入信号的高边分量251进行切换。对于晶体管332、333可以提供激活延迟(图3中未示出)以避免短路。将高边驱动器134的参考电位设定为高边功率晶体管139的发射极侧的电位。在其他示例中，可以将高边驱动器的参考电位相对于高边功率晶体管139的发射极侧的电位设定为限定的负电位。
相应地，低边驱动器144被配置为：低边驱动器144包括低边上拉P沟道晶体管343和低边下拉N沟道晶体管342，两者都根据输入信号的低边分量261进行切换。对于晶体管342、343可以提供激活延迟(图3中未示出)以避免短路。低边驱动器144的参考电位接地。在其他示例中，可以将低边驱动器的参考电位相对于低边功率晶体管149的发射极侧的电位设定为限定的负电位。
图3还示出了链路133、143的细节。链路133、143也以推挽式结构实现。然而，如果与驱动器134、144的推挽式结构相比，链路133、143的推挽式结构是反向的：这使得能够根据时间抵消控制电流83、84以及电位137、147的变化。
详细地，高边链路133包括高边上拉N沟道晶体管335和高边下拉P沟道晶体管334，两者都基于平衡信号171进行切换。同样地，低边链路143包括低边上拉N沟道晶体管345和低边下拉P沟道晶体管344，两者都基于平衡信号172进行切换。
在下文中，将说明高边链路133的功能。特别地，将关于输入信号的高边分量251从低信号电平转换到高信号电平说明高边链路133的功能。该功能可以用作高边链路133关于输入信号的高边分量251从高信号电平转换到低信号电平的相应功能的示例，以及用作低边链路143关于输入信号的低边分量261从高信号电平转换到低信号电平的相应功能的示例，反之亦然。
如果输入信号的分量251仍处于低信号电平，则N沟道晶体管332将端子711处的电位137下拉到高边108的参考电位。
响应于输入信号的分量251从低信号电平转换到高信号电平，N沟道晶体管332切换到非导通，并且P沟道晶体管333切换到导通：然后将端子711处的电位137上拉到高边108的电源电压电位。得到的控制电流83朝向端子711的一部分经由电阻器336和二极管338朝向接口120、特别是电容器125分路。这是平衡电流171。
结果，P沟道下拉晶体管334的控制触点也被上拉并切换到导通状态。因此，抵消了端子711处的电位137的升高。
由于输入信号的高边分量251已经转换到高信号电平(如上所述)，因此高边开关132的修改位置被激活：在图3的示例中，修改位置对应于高边开关132非导通。这是因为高边开关根据高边开关132的激活的开关位置选择性地将接口120与高边参考电位耦接。由于高边开关132是非导通的，因此相应平衡电流171不能流向高边108的参考电位，而是被迫流向接口120与电容器125。
如果输入信号的高边分量251处于高信号电平，则输入信号的低边分量261处于低信号电平。由于输入信号的低边分量261是低信号电平，因此低边开关142处于非修改位置。非修改位置对应于低边开关142导通。因此，从高边108接收的平衡电流171朝向低边107的参考电位/地面发送。特别地，平衡电流171不改变低边控制电流84，而是被地面吸收。
图4示出了各种信号电平的时间演变。图4详细地示出了行A中输入信号的高边分量251的时间演变(实线)以及输入信号的低边分量261的时间演变(虚线)。在分量251的工作时间201期间，分量251呈现高信号电平，并且分量261呈现低信号电平。在分量261的工作时间(on-time)203期间，分量251呈现低信号电平，并且分量261呈现高信号电平。规定了停滞时间202，在此期间，分量251以及分量261两者都呈现低信号电平。
图4还示出了行B中高边开关132的开关位置的时间演变(实线)以及低边开关142的时间演变(虚线)。如果高边分量251为高，则高边开关132的修改开关位置被激活。如果高边分量251为低，并且如果高边端子711处的电位137低于阈值137A，则高边开关132的非修改开关位置被激活。如果低边分量261为高，则低边开关142的修改开关位置被激活。如果低边分量261为低，并且如果低边端子712处的电位147低于阈值147A，则低边开关142的非修改开关位置被激活。
图4还示出了行C中高边端子711处的电位137即高边功率晶体管的控制触点的时间演变以及低边端子712处的电位147即低边功率晶体管的控制触点的时间演变。
在输入信号的高边分量251从低转换到高之后，在一定的持续时间204内，电位137不增加。这可能是由于在高边驱动器134中规定了延迟以避免推挽式结构332、333的短路和/或由于上拉晶体管333或相应控制逻辑的有限切换持续时间。
然后，电位137增加。这导致负载电流81(图4的行D)的增加。示出了当功率晶体管139切换到导通状态时的切换持续时间210。
在图4的示例中，切换持续时间210相当长。这借助于平衡电流171(图4的行E)获得。平衡电流171被用于控制链路133。通过平衡电流171将链路133的下拉晶体管334切换到导通状态。然后，电位137的变化率降低，并且因此负载电流81的变化率也下降。图4还示意性地示出了功率晶体管139、149的集电极-发射极电压(图4的行F)。如图4所示，集电极-发射极电压与平衡电流171、171A、172、172A相关。
切换持续时间210还可以取决于电阻器336的电阻率。切换持续时间210可以取决于电容器125的容量。
在图4中，示出了根据参考实现的负载电流81的快速增加(点划线)用于对照。
图4示出了电感负载的场景。由于功率晶体管139、149的续流二极管的反向恢复特性，负载电流81的上升沿显示出跳变(shoot-over)。
响应于高边分量251转换到低信号电平，在持续时间205内，高边开关132最初保持在修改位置。这是因为只要电位137不降到阈值137A之下，高边开关132的修改位置就被激活。这有助于减慢高边功率晶体管139的去激活。
在分量251从高转换到低之后，在一定的持续时间206内，电位137不减小。这可能是由于在驱动器134中规定了延迟以避免推挽结构332、333的短路和/或由于下拉晶体管332或相应控制逻辑的有限的切换持续时间和/或由于功率晶体管的有限的切换延迟。
然后，随着电位137的减小，负载电流81在切换持续时间211内减小到零。此外，根据参考实现的较短的切换持续时间(点划线)在图4中示出。
相应平衡电流171A由电容器125经由二极管339和电阻器337提供(参见图3)。这激活了链路133的N沟道晶体管335。因此，抵消了端子711处的电位的减小。
如上所述的关于高边108的类似考虑也适用于低边107切换过程(图4中的虚线)；此处示出了相应平衡电流172、172A。
图5是根据各种示例的方法的流程图。在1001，接收输入信号。例如，输入信号可以包括高边分量和低边分量，以例如形成互补输入信号。
在1002，经由高边端子提供高边控制信号，并且经由低边端子提供低边控制信号。例如，为此，可以采用推挽式驱动器：提供了明确限定的电位和/或驱动电流。
在1003，低边端子和高边端子例如经由包括电容器的接口彼此耦接。然后，可以实现基于由电容器支持的平衡信号对控制信号进行修改，以便增加相关联的高边功率晶体管和低边功率晶体管的切换持续时间。
综上所述，已经描述了能够使半桥布置的功率晶体管的控制信号的变化率彼此耦合的上述技术。高压电容器可以将低边域和高边域彼此耦接，并且可以支持相应的平衡电路，平衡电路相对于高边功率晶体管或低边功率晶体管的切换过程而言是特有的。平衡电流可以直接取决于相应控制电流的变化率。
这种技术使得能够实现单个电容器来测量和/或控制半桥结构的两个功率晶体管的控制信号的变化率。基于平衡电流，可以修改控制信号以在切换过程期间改变功率晶体管的切换持续时间。
通过这种技术，可以实现各种效果。例如，可以使用同一个电容器控制半桥结构的两个功率晶体管的切换持续时间。此外，可以使用同一个电容器来控制与功率晶体管从非导通转换到导通(激活)有关的切换过程的切换持续时间以及与功率晶体管从导通转换到非导通(去激活)有关的切换过程的切换持续时间两者。根据本文描述的技术，可以获得相应电路的简单设计。对控制触点的电位的变化率的控制使得能够实现各种应用的高效率。
虽然已经关于某些优选的实施方式示出并描述了本发明，但在阅读和理解说明书之后，本领域的其他技术人员将想到等同方案和修改例。本发明包括所有这些等同方案和修改例，并且仅由所附权利要求的范围限制。
例如，虽然关于IGBT功率晶体管描述了以上各种示例，但是在其他示例中，类似的技术可以容易地应用于FET或双极型晶体管。
例如，虽然描述了功率晶体管的控制电流用于控制控制触点处的电位的变化率的以上各种示例，但是在其他场景中，也可以想到使用控制触点处的电位来控制在控制触点处的电位变化率。这可能需要电流-电压转换。
例如，虽然关于半桥驱动IC描述了以上各种示例，但是这种技术可以容易地应用于通用驱动IC，通用驱动IC可以根据应用而被用于驱动低边功率晶体管以及以同样的方式驱动高边功率晶体管。例如，两个这种通用驱动IC可以被组合以形成半桥驱动IC。通用驱动IC可以包括高边或低边的特征，如本文所述。
综上所述，描述了至少以下示例：
示例1.一种电路，包括：
-输入端子，该输入端子被配置为接收输入信号；
-高边驱动器，该高边驱动器被配置为基于输入信号、经由高边端子向高边功率晶体管提供高边控制信号；
-低边驱动器，该低边驱动器被配置为基于输入信号、经由低边端子向低边功率晶体管提供低边控制信号；以及
-接口，该接口被配置为经由电容器将高边端子与低边端子耦接。
示例2.根据示例1所述的电路，还包括：
-高边链路，该高边链路与接口以及高边端子耦接，并且被配置为基于由接口提供的平衡信号来修改由高边端子提供的高边控制信号；以及
-低边链路，该低边链路与接口以及低边端子耦接，并且被配置为基于由接口提供的平衡信号来修改由低边端子提供的低边控制信号。
示例3.根据示例2所述的电路，还包括：
-高边放大器，该高边放大器被布置在高边链路与高边端子之间，并且被配置为放大高边控制信号；以及
-低边放大器，该低边放大器被布置在低边链路与低边端子之间，并且被配置为放大低边控制信号。
示例4.根据示例3所述的电路，还包括：
-高边增益接口，该高边增益接口被配置为经由高边控制电阻器将高边放大器的控制端子与高边参考电位耦接；以及
-低边增益接口，该低边增益接口被配置为经由低边控制电阻器将低边放大器的控制端子与低边参考电位耦接。
示例5.根据示例2-4中任一个所述的电路，
其中，高边链路包括高边上拉N沟道晶体管和高边下拉P沟道晶体管，两者都根据平衡信号进行切换；
其中，低边链路包括低边上拉N沟道晶体管和低边下拉P沟道晶体管，两者都根据平衡信号进行切换。
示例6.根据前述示例中任一个所述的电路，
其中，高边驱动器包括高边上拉P沟道晶体管和高边下拉N沟道晶体管，两者都根据输入信号的高边分量进行切换；
其中，低边驱动器包括低边上拉P沟道晶体管和低边下拉N沟道晶体管，两者都根据输入信号的低边分量进行切换。
示例7.根据示例2所述的电路，还包括：
-接口的高边开关，该高边开关与高边链路相关联；以及
-接口的低边开关，该低边开关与低边链路相关联。
示例8.根据示例7所述的电路，
其中，电路被配置为根据高边开关的激活的开关位置、基于平衡信号选择性地修改高边控制信号；
其中，电路被配置为根据低边开关的激活的开关位置、基于平衡信号选择性地修改低边控制信号。
示例9.根据示例7或8所述的电路，
其中，高边开关被布置在高边链路和电容器之间，并且被配置为根据高边开关的激活的开关位置选择性地在高边链路和电容器之间传送平衡信号；
其中，低边开关被布置在低边链路和电容器之间，并且被配置为根据低边开关的激活的开关位置选择性地在低边链路和电容器之间通传送平衡信号。
示例10.根据示例7-9中任一个所述的电路，还包括：
-至少一个控制逻辑，所述至少一个控制逻辑与输入端子耦接，并且被配置为基于输入信号分别激活高边开关和低边开关的不同开关位置。
示例11.根据示例10所述的电路，
其中，所述至少一个控制逻辑还与高边端子和低边端子耦接，并且被配置为基于高边控制信号和低边控制信号分别激活高边开关和低边开关的不同开关位置。
示例12.根据示例11所述的电路，
其中，所述至少一个控制逻辑被配置为：如果输入信号的高边分量为高，则激活高边开关的第一开关位置，如果输入信号的高边分量为低并且如果高边控制信号低于阈值，则激活高边开关的第二开关位置；
其中，所述至少一个控制逻辑被配置为：如果输入信号的低边分量为高，则激活低边开关的第一开关位置，如果输入信号的低边分量为低并且如果低边控制信号低于阈值，则激活低边开关的第二开关位置。
示例13.根据示例12所述的电路，
其中，电路被配置为：如果高边开关的第一开关位置被激活，则基于平衡信号修改高边控制信号，并且电路被配置为：如果高边开关的第二开关位置被激活，则不基于平衡信号修改高边控制信号；
其中，电路被配置为：如果低边开关的第一开关位置被激活，则基于平衡信号修改低边控制信号，并且电路被配置为：如果低边开关的第二开关位置被激活，则不基于平衡信号修改低边控制信号。
示例14.根据示例7-13中任一个所述的电路，
其中，高边开关根据高边开关的激活的开关位置选择性地将接口与高边参考电位耦接；
其中，低边开关根据低边开关的激活的开关位置选择性地将接口与低边参考电位耦接。
示例15.根据示例7-14中任一个所述的电路，还包括：
-高边钳位，该高边钳位被布置在高边开关和接口之间；
-低边钳位，该低边钳位被布置在低边开关和接口之间。
示例16.根据前述示例中任一个所述的电路，
其中，电路被整合在基板上；
其中，接口被配置为耦接至被实现为分立器件的电容器。
示例17.一种系统，包括：
-根据前述示例中任一个所述的电路，以及
-电容器，该电容器与接口耦接，
其中，电容器具有至少10pF的电容，可选地至少50pF，还可选地至少100pF。
示例18.根据示例17所述的系统，还包括：
-高边功率晶体管，以及
-低边功率晶体管，
其中，高边功率晶体管和低边功率晶体管布置成半桥结构。
示例19.一种电路，包括：
-输入端子，该输入端子被配置为接收输入信号；
-高边驱动器，该高边驱动器被配置为基于输入信号经由高边端子向高边功率晶体管提供高边控制信号；以及
-接口，该接口被配置为经由电容器将高边端子与低边端子耦接，低边端子可以从低边驱动器向低边功率晶体管提供低边控制信号。
示例20.一种方法，包括：
-接收输入信号；
-经由高边端子并基于输入信号向高边功率晶体管提供高边控制信号；
-经由低边端子并基于输入信号向低边功率晶体管提供低边控制信号；
-经由电容器将高边端子与低边端子耦接。

Claims (24)

1.一种用于实现功率晶体管的切换的电路，包括：
输入端子，所述输入端子被配置为接收输入信号；
高边驱动器，所述高边驱动器被配置为基于所述输入信号经由高边端子向高边功率晶体管提供高边控制信号；
低边驱动器，所述低边驱动器被配置为基于所述输入信号经由低边端子向低边功率晶体管提供低边控制信号；
接口，所述接口被配置为经由电容器将所述高边端子与所述低边端子耦接，并且被配置成将来自所述高边控制信号或所述低边控制信号的信号分路至所述电容器；
高边链路，所述高边链路与所述接口以及所述高边端子耦接，并且被配置为基于由所述接口提供的平衡信号来修改由所述高边端子提供的所述高边控制信号；以及
低边链路，所述低边链路与所述接口以及所述低边端子耦接，并且被配置为基于由所述接口提供的所述平衡信号来修改由所述低边端子提供的所述低边控制信号。
2.根据权利要求1所述的电路，还包括：
高边放大器，所述高边放大器被布置在所述高边链路与所述高边端子之间，并且被配置为放大所述高边控制信号；以及
低边放大器，所述低边放大器被布置在所述低边链路与所述低边端子之间，并且被配置为放大所述低边控制信号。
3.根据权利要求2所述的电路，还包括：
高边增益接口，所述高边增益接口被配置为经由高边控制电阻器将所述高边放大器的控制端子与高边参考电位耦接；以及
低边增益接口，所述低边增益接口被配置为经由低边控制电阻器将所述低边放大器的控制端子与低边参考电位耦接。
4.根据权利要求1所述的电路，
其中，所述高边链路包括高边上拉N沟道晶体管和高边下拉P沟道晶体管，两者都根据所述平衡信号进行切换；
其中，所述低边链路包括低边上拉N沟道晶体管和低边下拉P沟道晶体管，两者都根据所述平衡信号进行切换。
5.根据权利要求1所述的电路，
其中，所述高边驱动器包括高边上拉P沟道晶体管和高边下拉N沟道晶体管，两者都根据所述输入信号的高边分量进行切换；
其中，所述低边驱动器包括低边上拉P沟道晶体管和低边下拉N沟道晶体管，两者都根据所述输入信号的低边分量进行切换。
6.根据权利要求1所述的电路，还包括：
所述接口的高边开关，所述高边开关与所述高边链路相关联；以及
所述接口的低边开关，所述低边开关与所述低边链路相关联。
7.根据权利要求6所述的电路，
其中，所述电路被配置为根据所述高边开关的激活的开关位置、基于所述平衡信号选择性地修改所述高边控制信号；
其中，所述电路被配置为根据所述低边开关的激活的开关位置、基于所述平衡信号选择性地修改所述低边控制信号。
8.根据权利要求6所述的电路，
其中，所述高边开关被布置在所述高边链路和所述电容器之间，并且被配置为根据所述高边开关的激活的开关位置选择性地在所述高边链路和所述电容器之间传送所述平衡信号；
其中，所述低边开关被布置在所述低边链路和所述电容器之间，并且被配置为根据所述低边开关的激活的开关位置选择性地在所述低边链路和所述电容器之间传送所述平衡信号。
9.根据权利要求6所述的电路，还包括：
至少一个控制逻辑，所述至少一个控制逻辑与所述输入端子耦接，并且被配置为基于所述输入信号分别激活所述高边开关和所述低边开关的不同开关位置。
10.根据权利要求9所述的电路，
其中，所述至少一个控制逻辑还与所述高边端子和所述低边端子耦接，并且被配置为基于所述高边控制信号和所述低边控制信号分别激活所述高边开关和所述低边开关的不同开关位置。
11.根据权利要求10所述的电路，
其中，所述至少一个控制逻辑被配置为：如果所述输入信号的高边分量为高，则激活所述高边开关的第一开关位置，以及如果所述输入信号的高边分量为低并且如果所述高边控制信号低于阈值，则激活所述高边开关的第二开关位置；
其中，所述至少一个控制逻辑被配置为：如果所述输入信号的低边分量为高，则激活所述低边开关的第一开关位置，以及如果所述输入信号的低边分量为低并且如果所述低边控制信号低于阈值，则激活所述低边开关的第二开关位置。
12.根据权利要求11所述的电路，
其中，所述电路被配置为：如果所述高边开关的所述第一开关位置被激活，则基于所述平衡信号修改所述高边控制信号，并且所述电路被配置为：如果所述高边开关的所述第二开关位置被激活，则不基于所述平衡信号修改所述高边控制信号；
其中，所述电路被配置为：如果所述低边开关的所述第一开关位置被激活，则基于所述平衡信号修改所述低边控制信号，并且所述电路被配置为：如果所述低边开关的所述第二开关位置被激活，则不基于所述平衡信号修改所述低边控制信号。
13.根据权利要求6所述的电路，
其中，所述高边开关根据所述高边开关的激活的开关位置选择性地将所述接口与高边参考电位耦接；
其中，所述低边开关根据所述低边开关的激活的开关位置选择性地将所述接口与低边参考电位耦接。
14.根据权利要求6所述的电路，还包括：
高边钳位，所述高边钳位被布置在所述高边开关和所述接口之间；
低边钳位，所述低边钳位被布置在所述低边开关和所述接口之间。
15.根据权利要求1所述的电路，
其中，所述电路被整合在基板上；
其中，所述接口被配置为耦接至被实现为分立器件的所述电容器。
16.根据权利要求1所述的电路，
其中，所述输入信号包括高边分量和低边分量，
其中，所述输入端子包括耦接至所述高边驱动器的输入端的高边输入端子，所述高边输入端子被配置成接收所述输入信号中的所述高边分量，和
其中，所述输入端子还包括耦接至所述低边驱动器的输入端的低边输入端子，所述低边输入端子被配置成接收所述输入信号中的所述低边分量。
17.根据权利要求1所述的电路，其中，所述接口被配置成将所述高边端子经由所述电容器直接耦接至所述低边端子。
18.一种能够实现功率晶体管的切换的系统，包括：
根据权利要求1至17中任一项所述的电路，以及
电容器，所述电容器与所述接口耦接，
其中，所述电容器具有至少10pF的电容。
19.根据权利要求18所述的系统，还包括：
高边功率晶体管，以及
低边功率晶体管，
其中，所述高边功率晶体管和所述低边功率晶体管被布置成半桥结构。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述电容器具有至少50pF的电容。
21.根据权利要求18所述的系统，其中，所述电容器具有至少100pF的电容。
22.一种用于实现功率晶体管的切换的电路，包括：
输入端子，所述输入端子被配置为接收输入信号；
高边驱动器，所述高边驱动器被配置为基于所述输入信号经由高边端子向高边功率晶体管提供高边控制信号；以及
接口，所述接口被配置为经由电容器将所述高边端子与低边端子耦接并且还被配置成将来自所述高边控制信号的信号分路至所述电容器，其中所述低边端子能够从低边驱动器向低边功率晶体管提供低边控制信号，
其中，所述输入信号包括高边分量和低边分量，
其中，所述输入端子包括耦接至所述高边驱动器的输入端的高边输入端子，所述高边输入端子被配置成接收所述输入信号中的高边分量，和
其中，所述输入端子还包括耦接至所述低边驱动器的输入端的低边输入端子，所述低边输入端子被配置成接收所述输入信号中的低边分量。
23.一种用于实现功率晶体管的切换的方法，包括：
使用高边驱动器，在输入端子接收输入信号；
经由高边端子并基于所述输入信号向高边功率晶体管提供高边控制信号；
使用低边驱动器，经由低边端子并基于所述输入信号向低边功率晶体管提供低边控制信号；
经由电容器将所述高边端子与所述低边端子耦接；和
将来自所述高边控制信号或所述低边控制信号的信号分路至所述电容器，
其中，所述输入信号包括高边分量和低边分量，
其中，所述输入端子包括耦接至所述高边驱动器的输入端的高边输入端子，所述高边输入端子被配置成接收所述输入信号中的高边分量，和
其中，所述输入端子还包括耦接至所述低边驱动器的输入端的低边输入端子，所述低边输入端子被配置成接收所述输入信号中的低边分量。
24.一种用于实现功率晶体管的切换的电路，包括：
输入端子，所述输入端子被配置为接收输入信号；
高边驱动器，所述高边驱动器被配置为基于所述输入信号经由高边端子向高边功率晶体管提供高边控制信号；
低边驱动器，所述低边驱动器被配置为基于所述输入信号经由低边端子向低边功率晶体管提供低边控制信号；
接口，所述接口被配置为经由电容器将所述高边端子与所述低边端子耦接，并且被配置成将来自所述高边控制信号或所述低边控制信号的信号分路至所述电容器，
其中，所述输入信号包括高边分量和低边分量，
其中，所述输入端子包括耦接至所述高边驱动器的输入端的高边输入端子，所述高边输入端子被配置成接收所述输入信号中的高边分量，和
其中，所述输入端子还包括耦接至所述低边驱动器的输入端的低边输入端子，所述低边输入端子被配置成接收所述输入信号中的低边分量。
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