CN1522495A - 金属氧化物半导体场效应晶体管的驱动电路和方法 - Google Patents

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Abstract

用于诸如MOSFET(12)之类的绝缘栅半导体器件的触发电路(10)包括在电路中连接到MOSFET栅极(20)的电荷存储器件(14)和高速开关器件(16)。高速开关器件能够在比MOSFET规定导通延迟时间短的第一时间周期中在截止和导通状态之间切换，并且可进一步控制高速开关器件，使电荷在存储器件和栅极之间移动，以致MOSFET在比MOSFET的规定上升时间或下降时间短的第二时间周期中在截止状态和导通状态之间切换。

Description

金属氧化物半导体场效应晶体管的驱动电路和方法
技术领域
本发明涉及一种电路和方法，用于改进诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，尤其是功率MOSFET，之类的绝缘栅半导体器件的开关速度。
背景技术
晶体管结中固有的电容限制了电路中电压的开关速度。众所周知，密勒效应对上述类型器件的栅极电容有影响。
现有技术讲授了缓和高频晶体管开关电路中密勒效应的许多方法，例如，通过降低源极阻抗或降低反馈电容，或两者。
即使具有这种改进，诸如IRF740之类的MOSFET的输出一般以10安培的峰值电流以约27毫微秒的上升时间和24毫微秒的下降时间切换到200伏。这些时间对于许多应用是太长了。
本发明的目的
因此，本发明的目的是提供用于改进绝缘栅半导体器件上升和/或下降时间的触发电路和方法，申请人相信使用它至少能缓解上述缺点。
发明内容
根据本发明，提供用于绝缘栅半导体器件的一种触发电路，所述绝缘栅半导体器件包括作为第一端子的栅极，并且进一步包括至少第二和第三端子，所述电路包括：
—在电路中连接到器件栅极的电荷存储器件和高速开关装置；
—在比绝缘栅器件规定导通延迟时间短的第一时间周期中，高速开关装置能够在截止和导通状态之间切换；以及
—可控制高速开关装置，使之移动存储器件和绝缘栅器件栅极之间的电荷，以致在比绝缘栅器件规定上升时间或下降时间短的第二时间周期中，绝缘栅器件在截止状态和导通状态之间切换。
绝缘栅半导体器件可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，诸如，功率MOSFET。
另一方面，绝缘栅半导体器件可以是绝缘栅双极晶体管。
最好，第一时间周期短于2毫微秒。
第一开关装置可以包括下列之一：SIDAC、转折二极管、双极晶体管、其它绝缘栅半导体器件以及高压高速开关器件。
一般，规定的导通时间是最小导通时间，所述最小导通时间是在与绝缘栅半导体器件有关的可得到的公开数据表中规定的。
可以电子控制高速开关装置。
电荷存储器件可以是电容器。
在分别比规定的上升和下降时间短的周期中，绝缘栅半导体器件可以从截止状态切换到导通状态，以及从导通状态切换到截止状态。
在高速开关装置和栅极之间的电路中可以提供电感。
可以把触发电路集成在单个芯片上。
芯片可以进一步包括也集成在其上的另外的电路。
根据本发明另一个方面，驱动绝缘栅半导体器件的方法包括下列步骤：
—利用高速开关装置把电荷传送到器件的栅极；
—在比绝缘栅器件的规定导通延迟时间短的第一时间周期中，切换高速开关装置到导通；
—将电荷移入或移出栅极，在比绝缘栅器件的规定上升时间和下降时间短的第二时间周期中，使绝缘栅器件在截止和导通状态之间切换。
附图简述
现在将参考附图描述本发明，只是作为例子，其中：
图1是根据本发明的MOSFET的触发电路的基本电路图；
图2是包括SIDAC作为高速开关器件的电路的一个实施例的图；
图3包括栅极电压对MOSFET的一般规定操作时间的虚线图，以及根据本发明方法操作的实线图；
图4包括栅极电流对MOSFET的一般规定操作时间的虚线图，以及根据本发明方法操作的实线图；
图5是根据本发明的电路的另一个实施例的图；
图6是图5中电荷存储电容器的第一端子处的电压对时间的波形；
图7是图5中MOSFET源极处的电压对时间的波形；
图8是用于绝缘栅双极晶体管的触发电路图；
图9是图8电路中电荷存储电容器第一端子处的电压对时间的波形；
图10是图8中晶体管的发射极处的电压对时间的波形；以及
图11是触发电路的再一个实施例的基本电路图。
本发明较佳实施例的描述
在图1中，示出根据本发明的触发电路10的基本线路图，用于诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)之类的绝缘栅半导体器件12。
在图中，示出可以从International Rectifier购得的功率MOSFET，它的商标是HEXFET，型号是IRF740。在可公开得到的器件的用户数据表中，规定输出电压的10％到90％的上升时间为约27毫微秒，而规定相应的下降时间为约24毫微秒。对于MOSFET的某些应用，这些时间可能是太长了。规定导通延迟时间为14毫微秒，而截止延迟时间为50毫微秒。
触发电路10包括形式为电容器14的电荷存储器件，所述电容器14具有分别为14.1和14.2的第一和第二端子。在电路17中，把第一端子14.1连接到高速开关装置16。把任选的电感器18连接在高速开关装置16和MOSFET的栅极20之间。分别在22和24处示出MOSFET的漏极和源极。
高速开关装置16可以是开关速度大于数据表所规定MOSFET导通延迟时间和/或截止延迟时间的任何合适器件，最好，优于2毫微秒。这种器件可以包括SIDAC、转折二极管、合适配置的双极晶体管装置、或任何其它合适的高速开关器件或电路。
为了使MOSFET切换到导通，使高速开关装置电气地切换到导通，把足够的电荷从电容器14快速地传递到MOSFET的栅极20，使MOSFET切换到导通。
在图3和4中示出图1中电路的时间图。虚线示出的图表示MOSFET 12的一般规定操作。因此，图3中的曲线图30示出在传统导通期间MOSFET的栅极电压。在32处使MOSFET导通，曲线图示出约34毫微秒的导通延迟时间。在图4中的34示出相关联的栅极电流。
图3和4中的36和38分别示出根据本发明方法的曲线图。在图3的40处，示出从电容器14通过开关16的快速电荷传递，结果在MOSFET的栅极上建立电压。在42处示出的栅极电压之后的下降可归因于上述密勒效应。然而，可清楚看到只在4毫微秒之后，器件在44处切换到导通。图4中的38处示出栅极20处的关联电流。起初，在电荷传递阶段期间，栅极电流是高的，此后栅极电流降低到可忽略的程度。还可以相信，使漏极电流在MOSFET的数据规格之内，用根据本发明的开关方法和电路还可以降低开关损耗。
电容器14的值(C)、切换之前电容器上需要的电压(Vc)以及开关器件16的击穿电压、MOSFET 12的栅极门限电压(Vt)以及完成MOSFET的切换所需要的栅极电荷(Qs)与下列公式有关：
CV c ( Q s / V t + C ) > V t
在图2中，示出触发电路10的电路图，其中第一开关器件16是SIDAC。
在与SIDAC 16和MOSFET 12并联的电容器14两端施加周期性电压。起初，在第一个半周期期间，输入端19处施加的电压不够使SIDAC 14切换到导通，因此使电容器12充电。当所提供的电压达到SIDAC 16的门限值时，SIDAC 16导通，导致从电容器14到MOSFET 12的栅极的闭合电路，使电容器14部分地放电，因此使栅极20充电。结果是现在电容器14和栅极20之间将共享电荷，以致把最好高于相对于地的栅极门限电压的某些电压提供给栅极。
使用这个方法，在短时间间隔中，驱动的栅极电压超过某些MOSFET 12的最大门限额定值约三倍到四倍，而不损坏器件。
相似地，当在另半个周期中栅极电压超过SIDAC 16的反向门限值，并在相反方向上传导电流时，在电荷从MOSFET 12的栅极20消失后很短时间，MOSFET 12的栅极电压基本下降到MOSFET 12的门限电压以下。结果，MOSFET 12将截止，而且漏电流不再流动。
在图5中，示出用于MOSFET 12的另外的自激振荡触发电路。利用相同的标号来表示该电路中与图1和2中的电路元件相当的元件。在该实施例中，高速开关装置16包括双极晶体管装置。
在图6中示出50处的电压波形。在图7中示出源极24处的电压波形。从后一波形可以看到，在52处，上述MOSFET 12的源极24从“截止”状态切换到约400V的“导通”状态，上升时间tr为约4毫微秒，这比规定的27毫微秒的上升时间快得多。相似地，如在54处所示，从“导通”状态切换到“截止”状态，下降时间tf为约15毫微秒，这也比约24毫微秒的规定下降时间短得多。
在图8中，示出用于绝缘栅双极晶体管60的相似触发电路10，所述绝缘栅双极晶体管60具有栅极62、集电极64和发射极66。晶体管是由InternationalRectifier制造和销售的IRG4PC50W器件。在图9中示出图8中68处的波形，并在图10中示出负载70附近的发射极66处的波形。
从后一波形可以看出，在72处，发射极66从“截止”状态切换到约400V的“导通”状态，上升时间tr为约4毫微秒，这比规定的33毫微秒的上升时间短得多。
在图11中示出触发电路的又一个实施例。开关装置包括低输出阻抗、高电压、高速开关驱动电路116。装置116必须能够在比器件12规定导通延迟时间短的第一时间周期中在0V和Vd之间切换。Vd最好大于20xVt。在市场上可得到这种特性的器件。
可以理解，在根据本发明的触发电路和方法的细节中的许多改变不偏离所附的权利要求书的范围和精神。

Claims (16)

1.一种用于绝缘栅半导体器件的触发电路，所述绝缘栅半导体器件包括作为第一端子的栅极，并进一步包括至少第二和第三端子，其特征在于，所述电路包括：
-在电路中连接到器件的栅极的电荷存储器件和高速开关装置；
-高速开关装置能够在比绝缘栅器件的规定导通延迟时间短的第一时间周期中在截止和导通状态之间切换；以及
-可控制高速开关装置，使之移动存储器件和绝缘栅器件栅极之间的电荷，以致绝缘栅器件在比绝缘栅器件的规定上升时间或下降时间短的第二时间周期中在截止状态和导通状态之间切换。
2.如权利要求1所述的触发电路，其特征在于，绝缘栅半导体器件是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
3.如权利要求2所述的触发电路，其特征在于，MOSFET是功率MOSFET。
4.如权利要求1所述的触发电路，其特征在于，绝缘栅半导体器件是绝缘栅双极晶体管。
5.如前面权利要求中任何一条所述的触发电路，其特征在于，第一时间周期短于2毫微秒。
6.如权利要求1-5中任何一条所述的触发电路，其特征在于，高速开关装置包括：SIDAC、转折二极管、双极晶体管、其它绝缘栅半导体器件以及高压高速开关器件中之一。
7.如权利要求1-6中任何一条所述的触发电路，其特征在于，规定的导通时间是与绝缘栅半导体器件有关的数据表中规定的最小导通时间。
8.如权利要求1-7中任何一条所述的触发电路，其特征在于，可以电子地控制高速开关装置。
9.如前面权利要求中任何一条所述的触发电路，其特征在于，电荷存储器件可以是电容器。
10.如前面权利要求中任何一条所述的触发电路，其特征在于，绝缘栅半导体器件分别在比规定的上升和下降时间短的周期中，从截止状态切换到导通状态，以及从导通状态切换到截止状态。
11.如权利要求1-10中任何一条所述的触发电路，其特征在于，在高速开关装置和栅极之间包括电感。
12.如权利要求1-11中任何一条所述的触发电路，其特征在于，可以把触发电路集成在单个芯片上。
13.如权利要求12所述的触发电路，其特征在于，芯片包括也集成在其上的另外的电路。
14.一种驱动绝缘栅半导体器件的方法，其特征在于，包括下列步骤：
-利用高速开关装置把电荷传入或传出器件的栅极；
-在比绝缘栅器件的规定导通延迟时间短的第一时间周期中，切换高速开关装置到导通；
-将电荷移入或移出栅极，使绝缘栅器件在比绝缘栅器件的规定上升时间或下降时间短的第二时间周期中在截止和导通状态之间切换。
15.一种用于绝缘栅半导体器件的触发电路，它基本上如这里参考附图所描述。
16.一种驱动绝缘栅半导体器件的方法，它基本上如这里参考附图所描述。
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