CN116830459A - 用于控制场效应晶体管的电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电路，该电路包括具有四个引脚的MOSFET(Q6)和用于驱动所述MOSFET(Q6)的电子驱动器电路，所述电路包括至少一个电轨道，所述MOSFET(Q6)通过具有固有电感(L1)的键合线连接至该至少一个电轨道，所述电子驱动器电路通过直接链接至该第一源极(S1)的第一端子以及并联地通过链接至该第二源极(S2)的第二端子连接至该MOSFET(Q6)，所述键合线被布置在该第二端子与该第二源极(S2)之间，并且该电子驱动器电路被配置为在该MOSFET(Q6)的栅极(G)与该第一源极(S1)之间或在其栅极(G)与该第二源极(S2)之间施加电驱动器信号，以便触发所述MOSFET(Q6)的状态相应地变为关断状态或导通状态。

Description

用于控制场效应晶体管的电路

技术领域

本发明涉及场效应晶体管(更确切地说，MOSFET)的领域。甚至更确切地说，本发明涉及优化四引脚碳化硅MOSFET的使用。

背景技术

MOSFET是本领域技术人员所公知的一种类型的晶体管，他们通常用代表“金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)”的这种首字母缩写来指代这种晶体管。

MOSFET的主要功能是切换，也就是说从高状态转换到低状态，换言之，从导通状态转换到关断或“阻断”状态。通常，所寻求的是获得快速且无振荡的切换，但这在实践中难以实现。具体地，快速晶体管通常倾向于在切换之后振荡，也就是说，倾向于具有在切换之后围绕其新状态振荡的输出电压。

相反地，以精确且无振荡的方式切换的晶体管通常速度较慢。如今，通常使用碳化硅(SiC)类型的MOSFET，其被认为能够快速切换并且损耗较低。

通常，MOSFET包括三个引脚，分别称为栅极、源极和漏极。施加到栅极的电驱动器信号可以切换MOSFET，特别是将其转换到导通状态或关断状态。

最近，已经开发了四引脚MOSFET。在实践中，四引脚MOSFET可以将功率的控制去相关。当期望快速切换(涉及在几纳秒内数百伏的电压变化以及可能达到数十安培的电流变化)时，这种具有四个引脚的MOSFET特别有用。这种MOSFET例如在电源转换器、逆变器、特别是用于电动或混合动力车辆的车载充电器中实施。

因此，四引脚MOSFET允许以较小的损耗来进行快速切换操作，因为经由这种MOSFET传输的电能的功率与电子驱动器电路中生成的电驱动器信号所遵循的电路径分隔开以允许所述MOSFET进行切换，换言之，改变状态。与常规三引脚MOSFET相比，源极因此分为两个：第一源极(电源源极)与第二源极(驱动器源极)。与要切换的电能相对应的电驱动器信号和电源信号(也称为负载信号)是电子去相关的：它们不描述同一电路径，也不链接至MOSFET的同一“源极”引脚，电驱动器信号连接至MOSFET的驱动器源极，而电源信号连接至MOSFET的电源源极。根据现有技术，电子驱动器电路因此形成“无功率”回路，换言之，具有只与电驱动器信号的功率相对应的非常低的功率，即，几百毫瓦(mW)的量级的功率。与要传输的电能相对应的信号由电子功率电路独立地路由，实现了量级在1至100千瓦(kW)的功率。

四引脚MOSFET的操作原理本身是已知的。例如，其在Baker等人于2017年3月18日公开的文献“Simultaneous On-State Voltage and Bond-Wire Resistance Monitoringof Silicon Carbide MOSFETs[碳化硅MOSFET的导通状态电压和键合线电阻的同步监测]”中进行了描述。

在这种情况下，应注意，对于常规MOSFET电子驱动器电路，在转换到导通状态和转换到关断状态时获得的切换操作在三引脚MOSFET与四引脚MOSFET之间具有不同的优点和缺点。本质上，三引脚MOSFET切换到导通状态的速度较慢，但其优点在于在转换到关断状态时不会发生振荡。

四引脚MOSFET的工作方式正好相反：其切换到导通状态的速度非常快(并且损耗较低)，但其缺点在于具有在转换到关断状态时强烈振荡的输出电压。

因此，需要一种MOSFET类型的场效应晶体管，该晶体管能够快速地切换到导通状态且损耗较低，并且该晶体管在切换到关断状态时不会发生振荡。

为此，本发明提供了一种用于驱动四引脚MOSFET的新型电子驱动器电路。

发明内容

更准确地，本发明的主题是一种电路，该电路包括MOSFET和用于驱动所述MOSFET的电子驱动器电路，该MOSFET具有包括漏极、栅极、第一源极和第二源极的四个引脚，所述MOSFET具有导通状态和关断状态，所述电路包括至少一个电轨道并且所述MOSFET通过至少一条键合线连接至所述至少一个电轨道，所述至少一条键合线具有固有电感，所述电子驱动器电路通过直接链接至第一源极的第一端子以及并联地通过链接至第二源极的第二端子连接至MOSFET，具有固有电感的所述至少一条键合线被布置在第二端子与第二源极之间。电子驱动器电路被配置为在MOSFET的栅极与第一源极之间或在其栅极与第二源极之间施加电驱动器信号，以便触发所述MOSFET的状态变化，并且使得：

当电驱动器信号旨在将MOSFET转换到关断状态时，电子驱动器电路在栅极与第一源极之间施加电驱动器信号，以及

当电驱动器信号旨在将MOSFET转换到导通状态时，电子驱动器电路在栅极与第二源极之间施加电驱动器信号。

本发明使得可以从以下两点中获益：MOSFET以较低的损耗快速切换到导通状态以及在切换到关断状态时不会发生振荡。

根据一个实施例，电子驱动器电路包括开关的桥，其中，第一开关和第二开关并联连接，分别在发射电驱动器信号的电压源与MOSFET的第一源极之间以及在发射电驱动器信号的所述电压源与MOSFET的第二源极之间，当电驱动器信号旨在将MOSFET转换到导通状态时，第一开关处于导通状态而第二开关处于关断状态，并且相应地，当电驱动器信号旨在将MOSFET转换到关断状态时，第一开关处于关断状态而第二开关处于导通状态。

根据一个实施例，电子驱动器电路包括二极管的桥，其中，第一二极管和第二二极管并联连接，分别在MOSFET的第一源极与电子驱动器电路的电气接地之间以及在MOSFET的第二源极与电子驱动器电路的所述电气接地之间，该第一二极管被配置为当MOSFET经由第二源极驱动时，阻断任何电流流过所述至少一条键合线，并且相应地，第二二极管被配置为当MOSFET经由第一源极驱动时，阻断任何电流流过第二源极。

本发明同样涉及一种电气设备，该电气设备包括如上简要描述的电路。

本发明还涉及一种电力变压器，该电变压器包括如上简要描述的电路。

本发明还涉及一种逆变器，该逆变器包括如上简要描述的电路。

本发明还涉及一种电源转换器，该功率转换器包括如上简要描述的电路。

本发明同样涉及一种机动车辆，该机动车辆包括如上简要描述的电气设备。

附图说明

通过阅读仅以示例的方式给出的以下描述并参考以非限制性示例的方式给出的附图将更好地理解本发明，其中，相同的附图标记表示相似的物体，并且在附图中：

图1是根据本发明的一个示例性实施例的电路的示意性表示，该电路具有MOSFET和用于驱动所述MOSFET的电子驱动器电路；

图2示出了各自具有两条曲线的两个曲线图，这两条曲线分别示出了MOSFET在转换到导通状态期间其端子两端的电压以及MOSFET在转换到导通状态期间施加在栅极与源极(冷源极或电源源极)之间的驱动电压；

图3示出了各自具有两条曲线的两个曲线图，这两条曲线分别示出了MOSFET在转换到关断状态期间其端子两端的电压以及施加在栅极与源极(冷源极或电源源极)之间的MOSFET的驱动电压。

应当注意，附图以详细的方式说明了本发明，以便于实施本发明，当然，在适当的情况下，所述附图可以用于更好地定义本发明。

具体实施方式

参考图1，已知的是，在MOSFET中，施加到栅极G的电压(更确切地说，在栅极G与源极S1、S2之间施加的电压)使得可以控制电流在源极S1、S2与漏极D之间流动，从而通过MOSFET。如先前解释的，具有两个源极S1、S2(包括冷源极)的四引脚MOSFET使得可以通过电驱动器信号来驱动MOSFET的状态变化，该电驱动器信号所遵循的电路径与通过所述MOSFET切换(换言之，传输)的电能相对应的电路径不同。

以已知的方式，电子驱动器电路递送例如来自脉宽调制器(也称为PWM)的供应信号V2和电驱动器信号V1。换言之，电驱动器信号V1是指施加到MOSFET Q6的栅极G的电压，允许该MOSFET在适当的情况下改变状态以转换到导通状态或转换到关断状态，在导通状态下，所述MOSFET Q6将电能切换(或传输)到漏极D，在关断状态下，所述MOSFET Q6不传输任何电能。

此外，如已知的，MOSFET通过键合线(也称为引线键合，换言之，导体)连接在电路中，使得可以将所述MOSFET电链接至所述电路的电轨道。这些键合线具有固有电感(在图1中标为L1)。

因此，固有电感L1充当寄生电感，并且对应于形成所述键合线的导体的电感。

根据本发明，用于驱动四引脚MOSFET Q6的电子驱动器电路被配置为使得当驱动MOSFET Q6以将其转换到导通状态时，电驱动器信号不通过固有电感L1。换言之，在没有功率的情况下驱动MOSFET Q6以将其转换到导通状态。由于电驱动器信号不通过固有电感L1(换言之，将MOSFET Q6链接至电路的电轨道的键合线的固有电感)，因此，不产生反作用(固有电感L1在驱动期间不生成对抗与所述电驱动器信号相对应的电流通过的任何反作用)。因此，可以快速地将MOSFET Q6转换到导通状态。

相反地，根据本发明，电子驱动器电路被配置为使得当驱动MOSFET Q6以将其转换到关断状态时，电驱动器信号通过固有电感L1。换言之，在有功率的情况下，驱动MOSFET Q6以将其转换到关断状态。固有电感L1提供反作用并且在驱动器电路中生成对抗电流变化及其端子两端的电压变化的附加电压。在这样做时，由驱动器电路中存在的电感而引起的这种反作用限制了通过MOSFET Q6的电流的振荡。因此，减小了在MOSFET Q6的输出处的电压的高频振荡和电压峰值、以及对应的电磁干扰。

为此，根据本发明，用于驱动四引脚MOSFET的电子驱动器电路包括开关Q4、Q5的桥，其被配置为切换以使得施加到栅极G的电驱动器信号V1根据驱动涉及将MOSFET Q6转换到关断状态还是导通状态而被精确地施加在栅极G与第一源极S1(换言之，电源源极)之间或者施加在其栅极G与第二源极S2(换言之，驱动器源极，也称为冷源极或开尔文源极)之间。

换言之，电子驱动器电路包括两条不同的电路径。一条电路径直接(不通过键合线)链接至冷源极(换言之，第二源极S2或驱动器源极或开尔文源极)。另一条电路径通过键合线并且因此通过固有电感L1链接至第一源极S1(换言之，电源源极)。

根据一个实施例，还提供了二极管D2、D3的桥，以便保证通过MOSFET Q6的电流仅在驱动所述MOSFET Q6以将其转换到关断状态时才能通过固有电感L1。所述二极管D2、D3的桥包括并联的两个二极管D2、D3，分别连接至第一源极S1和第二源极S2，并且被配置为在MOSFET Q6转换到导通状态期间阻止通过MOSFET Q6的电流经由所述第一源极S1回流，并且相应地，在MOSFET Q6转换到关断状态期间阻止电流经由所述第二源极S2回流。

因此，本发明使得可以具有这样的电路：该电路具有四引脚MOSFET Q6和用于驱动所述MOSFET Q6的电子驱动器电路。电子驱动器电路被配置为根据MOSFET Q6旨在转换到关断状态还是导通状态而相应地经由第一源极S1或经由第二源极S2驱动MOSFET Q6状态的变化。

以这种方式，在MOSFET Q6转换到导通状态时，电感L1通过将电驱动器信号连接至MOSFET Q6的冷源极(第二源极S2)来分流，以避免所述电感L1产生的反作用，其结果是所述MOSFET Q6的状态变化更快。从而使在MOSFET Q6转换到导通状态期间的损耗最小化。

对于MOSFET Q6转换到导通状态的情况，如果电驱动信号已经通过电源源极(第一源极S1)，则状态变化将变得更慢并且损耗也将增多。本发明使得可以避免这种缺陷。

如可以在图2中看到的，示出了与MOSFET Q6转换到导通状态相关的模拟结果。曲线CS10示出了在施加到冷源极的驱动下，MOSFET Q6在转换到导通状态期间的输出电压。曲线CS1示出了在施加到冷源极的驱动下，MOSFET Q6在转换到导通状态期间其栅极与冷源极之间的电压。曲线PS10示出了在施加到电源源极的驱动下，MOSFET Q6在转换到导通状态期间的输出电压。曲线PS1示出了在施加到电源源极的驱动下，MOSFET Q6在转换到导通状态期间其栅极与电源源极之间的电压。

因此，特别地，如图2所能看到的这些模拟分别示出了第一曲线PS10和第二曲线CS10，该第一曲线表示经由施加在栅极G与第一源极S1之间的电驱动器信号驱动以将其转换到导通状态的MOSFET Q6的输出电压，该第二曲线表示经由施加在栅极G与第二源极S2之间的电驱动器信号驱动以将其转换到导通状态的MOSFET Q6的输出电压。很明显，第一曲线PS10的上升时间较慢，这是有问题的，如先前解释的。根据本发明，这就是为什么用于驱动四引脚MOSFET Q6的电子驱动器电路被配置为通过施加在栅极G与第二源极S2(换言之，冷源极)之间的驱动器信号V2来驱动所述MOSFET Q6以将其转换到导通状态。

相反，在MOSFET Q6转换到关断状态时，利用将所述MOSFET Q6电链接至电路的电轨道的键合线的固有电感L1所产生的反作用，以便减小在MOSFET Q6的输出处的电压的振荡，并且以便同样减小相关联的电压峰值。

对于MOSFET Q6转换到关断状态的情况，如果电驱动信号已经通过冷源极，则状态变化将变得更嘈杂：MOSFET Q6的输出电压将会以较高的频率振荡并且将会具有较高的电压峰值，如在图3中的模拟曲线PS2中可以看到的。本发明使得可以避免这种缺陷。

如可以在图3中看到的，示出了与将MOSFET Q6转换到关断状态相关的模拟结果。曲线CS20示出了在施加到冷源极的驱动下，MOSFET Q6在转换到关断状态期间的输出电压。曲线CS2示出了在施加到冷源极的驱动下，MOSFET Q6在转换到关断状态期间其栅极与冷源极之间的电压。曲线PS20示出了在施加到电源源极的驱动下，MOSFET Q6在转换到关断状态期间的输出电压。曲线PS2示出了在施加到电源源极的驱动下，MOSFET Q6在转换到关断状态期间其栅极与电源源极之间的电压。

特别地，如图3所能看到的这些模拟分别示出了第一曲线PS20和第二曲线CS20，该第一曲线表示经由施加在栅极G与第一源极S1之间的电驱动器信号V1驱动以将其转换到关断状态的MOSFET Q6的输出电压，该第二曲线表示经由施加在栅极G与第二源极S2之间的电驱动器信号驱动以将其转换到关断状态的MOSFET Q6的输出电压。很明显，第二曲线CS20具有较多的振荡和较高的电压峰值，这在损耗和电磁干扰方面特别是有问题的，如先前解释的。根据本发明，这就是为什么四引脚MOSFET Q6的电子驱动器电路被配置为通过施加在栅极G与第一源极S1(换言之，电源源极)之间的驱动器信号V2来驱动所述MOSFET Q6以将其转换到关断状态。

根据本发明，用于驱动四引脚MOSFET的电子驱动器电路实现了三引脚MOSFET与四引脚MOSFET之间的最佳折衷。因此，经由施加在栅极与冷源极(第二源极S2)之间的电驱动器信号实现了将MOSFET更快转换到导通状态，因此损耗更少，并且经由施加在栅极G与电源源极(第一源极S1)之间的电驱动器信号实现了将MOSFET转换到关断状态，并且其输出电压振荡更少且电压峰值更低，因此电磁干扰更小。

Claims (8)

1.一种电路，包括MOSFET(Q6)和用于驱动所述MOSFET(Q6)的电子驱动器电路，所述MOSFET具有包括漏极(D)、栅极(G)、第一源极(S1)和第二源极(S2)的四个引脚，所述MOSFET(Q6)具有导通状态和关断状态，所述电路包括至少一个电轨道并且所述MOSFET(Q6)通过至少一条键合线连接至所述至少一个电轨道，所述至少一条键合线具有固有电感(L1)，所述电子驱动器电路通过直接链接至所述第一源极(S1)的第一端子以及并联地通过链接至所述第二源极(S2)的第二端子连接至所述MOSFET(Q6)，具有固有电感(L1)的所述至少一条键合线被布置在所述第二端子与所述第二源极(S2)之间，并且

所述电子驱动器电路被配置为在所述MOSFET(Q6)的栅极(G)与所述第一源极(S1)之间或在其栅极(G)与所述第二源极(S2)之间施加电驱动器信号，以便触发所述MOSFET(Q6)的状态变化，并且使得：

当所述电驱动器信号旨在将所述MOSFET(Q6)转换到所述关断状态时，所述电子驱动器电路在所述栅极(G)与所述第一源极(S1)之间施加所述电驱动器信号，以及

当所述电驱动器信号旨在将所述MOSFET(Q6)转换到所述导通状态时，所述电子驱动器电路在所述栅极(G)与所述第二源极(S2)之间施加所述电驱动器信号。

2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电子驱动器电路包括开关(Q4，Q5)的桥，其中，第一开关(Q4)和第二开关(Q5)并联连接，分别在发射所述电驱动器信号(V1)的电压源与所述MOSFET(Q6)的第一源极(S1)之间以及在发射所述电驱动器信号(V1)的所述电压源与所述MOSFET(Q6)的第二源极(S2)之间，当所述电驱动器信号(V1)旨在将所述MOSFET(Q6)转换到导通状态时，所述第一开关(Q4)处于所述导通状态而所述第二开关(Q5)处于关断状态，并且相应地，当所述电驱动器信号(V1)旨在将所述MOSFET(Q6)转换到关断状态时，所述第一开关(Q4)处于所述关断状态而所述第二开关(Q5)处于导通状态。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的电路，其中，所述电子驱动器电路包括二极管(D2，D3)的桥，其中，第一二极管(D2)和第二二极管(D3)并联连接，分别在所述MOSFET(Q6)的第一源极(S1)与所述电子驱动器电路的电气接地之间以及在所述MOSFET(Q6)的第二源极(S2)与所述电子驱动器电路的所述电气接地之间，所述第一二极管(D2)被配置为当所述MOSFET(Q6)经由所述第二源极(S2)驱动时，阻断任何电流流过所述至少一条键合线，并且相应地，所述第二二极管(D3)被配置为当所述MOSFET(Q6)经由所述第一源极(S1)驱动时，阻断任何电流流过所述第二源极(S2)。

4.一种电气设备，包括根据权利要求1至3任一项所述的电路。

5.一种电力变压器，包括根据权利要求1至3任一项所述的电路。

6.一种逆变器，包括根据权利要求1至3任一项所述的电路。

7.一种电源转换器，包括根据权利要求1至3任一项所述的电路。

8.一种机动车辆，包括根据权利要求4所述的电气设备。