CN207234654U - 电平偏移电路和电子装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种电平偏移电路和电子装置。电平偏移电路具有配置用于接收输入信号的输入端，其中输入信号具有对称的最大和最小电压。电平偏移电路进一步包括配置用于提供输出信号的输出端，其中输出信号具有非对称的最大和最小电压。响应于输入信号而产生输出信号。施加输出信号以驱动SiC MOSFET的栅极端子。

Description

电平偏移电路和电子装置
技术领域
本公开涉及集成电路，并且更具体而言涉及用于在将控制信号施加至非对称驱动器电路之前电平偏移控制信号的电平偏移电路。
背景技术
碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)是在许多功率电子器件应用中的有吸引力的功率开关部件。宽带隙SiC材料的先进和创新性的特性提供了如下切换晶体管：其呈现比硅MOSFET器件或绝缘栅极双极晶体管(IGBT)器件更好的操作特性。例如，SiC MOSFET器件具有相当的Si基晶体管开关远远更低的开关损耗，并且可以以比相当的Si基晶体管开关大二至五倍的开关频率进行操作。SiC MOSFET进一步呈现非常低的泄漏电流，并且这有助于提升系统可靠性和一致性，甚至当经受提高的反向电压或温度升高时。
以此方式驱动SiC MOSFET以便于促进最低可能的导通和开关损耗是至关重要的。然而，应该注意，绝对最大额定值(AMR)设置了非对称的SiC MOSFET的最大Vgs-on和最小Vgs-off。例如，最大Vgs-on可以是+25V，而最小Vgs-off是-10V。例如，产生具有+12V的最大电压和-12V的最小电压的栅极驱动信号的常规对称驱动电路无法适当和高效地驱动SiCMOSFET。在该示例中，用于驱动电路的+12V最大驱动信号电压产生对于以最佳性能导通的SiC MOSFET而言不够高的Vgs-on，并且用于驱动电路的-12V的最小电压产生在SiC MOSFET的AMR之外的Vgs-off。
本领域需要诸如脉冲变压器之类的电平偏移电路以将具有对称电压的输入信号转换为具有非对称电压的、适用于驱动具有晶体管器件的AMR需求的SiC MOSFET的栅极的输出信号。
实用新型内容
鉴于上述问题，本公开的实施例旨在解决上述技术问题的至少一部分。
在一个实施例中，一种电子装置，包括：电平偏移电路，具有被配置用于接收具有对称的最大和最小电压的输入信号的输入端，以及被配置用于提供具有非对称的最大和最小电压的输出信号的输出端；以及SiC MOSFET，具有由所述输出信号所驱动的栅极端子。
电平偏移电路的一个实施例包括：电容器，被耦合在输入端和输出端之间；电压分压器电路，被耦合在输入端与被配置用于耦合至SiC MOSFET的源极端子的参考节点之间，电压分压器电路具有分接头节点；以及第一二极管，具有被耦合至分接头节点的阳极、以及被耦合至电容器的端子的阴极。
通过使用本公开的实施例，可以解决上述技术问题的至少一部分并且实现相应的技术效果。
附图说明
为了更好理解实施例，现在将借由示例的方式而参考附图，其中：
图1A和图1B是用于使用非对称信号驱动SiC MOSFET的栅极的电平偏移电路的示意图；
图2示出了用于图1A或图1B的电平偏移电路的操作波形；
图3A和图3B是用于使用非对称信号驱动SiC MOSFET的栅极的电平偏移电路的示意图；
图4示出了用于图3A或图3B的电平偏移电路的操作波形；
图5是具有驱动高压侧和低压侧SiC MOSFET的栅极的电平偏移电路的半桥驱动器电路的示意图；以及
图6示出了用于图5的电路的操作波形。
具体实施方式
现在参照图1A，示出了用于使用非对称信号驱动SiC MOSFET14的栅极的电平偏移电路10的示意图。SiC MOSFET 14是n沟道器件，具有漏极端子16、栅极端子18(耦合至电平偏移电路10的输出端12)以及源极端子20。漏极端子16被配置用于在节点22处连接至在低压侧驱动器操作中待被驱动的电路。源极端子20连接至低参考电源电压节点(接地)。
电平偏移电路10具有输入节点24。电容器C具有耦合至输入节点24的第一端子，以及耦合至中间节点26的第二端子。电阻器R1具有连接至中间节点26的第一端子，以及连接至输出端12并耦合至SiC MOSFET 14的栅极端子18的第二端子。电阻性分压器由串联连接在输入节点24与低参考电源电压节点之间的电阻器R2和R3形成。电阻器R2具有连接至输入节点24的第一端子，以及连接至分接头节点28的第二端子。电阻器R3具有连接至分接头节点28的第一端子，以及连接至低参考电源电压节点的第二端子。齐纳二极管D1具有连接至分接头节点28的阳极，以及连接至中间节点26的阴极。
电平偏移电路10的输入节点24被配置用于接收具有对称的最大和最小电压的输入驱动信号IN1。当最大电压和最小电压的绝对幅度实质上相等(也即在±1-3％内)时，输入驱动信号IN1的电压被视作是对称的。例如，具有对称电压的输入驱动信号IN1可以具有+12V的最大电压和-12V的最小电压，并且具有脉冲信号的形状(例如，方波或脉冲宽度调制(PWM)波)。
电平偏移电路10由合适类型的驱动电路所驱动。在示例性的实施方式中，驱动电路可以包括接收对称信号输入的脉冲变压器电路。具有连接至输入节点24的第一端子、和连接至低参考电源电压节点的第二端子的电感器L表示该脉冲变压器电路的次级绕组。
如在此应注意的那样，SiC MOSFET 14具有由晶体管器件的绝对最大额定值(AMR)所设置的、并非对称的最大Vgs-on和最小Vgs-off(也即它们的绝对幅度基本上不相等)。电平偏移电路10操作用于偏移输入驱动信号IN1的对称电压，以在输出端12处产生具有非对称电压的驱动信号。
电平偏移电路10如下操作：
由电阻器R2和R3形成的电阻性分压器将电压固定至由电平偏移电路10所偏移的电平。齐纳二极管D1操作作为整流器以在电容器C上使用相对于中间节点26的电压Vc维持正向极化(也即节点26处的电压被维持为比输入节点24处的电压高+Vc)。电压Vc是在电容器C上被维持的电平偏移电压。输入驱动信号IN1的对称电压被偏移+Vc。应该注意，对于输入驱动信号IN1的负电压而言，电容被保持为由二极管D充电。
从数学上而言：VC＝VIN+*(R2/(R2+R3))–VfD1，其中VIN+是输入驱动信号IN1的正电压，并且VfD1是二极管D1的正向电压。作为示例，通过恰当选择R2和R3的电阻，电压Vc可以被设置在+8V。在使用具有+12V的最大电压和-12V的最小电压的对称电压的输入驱动信号IN1的情形下，在输出端12处产生并施加至SiC MOSFET 14的栅极的输出电压将具有+20V的最大电压和-4V的最小电压的非对称电压。这些非对称电压恰好在SiC MOSFET的绝对最大额定值(AMR)内，并且当SiC MOSFET导通(Vgs-on＝+20V)以及也允许SiC MOSFET器件被完全关断(Vgs-off＝-4V)时进一步产生导通电阻的最优水平。
该电平偏移电路10存在许多优点：其容易制造，不昂贵，并且与现有技术电路相比具有减小的功率损耗。
应该理解，可以使用普通二极管替代齐纳二极管D1。然而，齐纳二极管的使用是优选的，因为其使得电压Vc不受电阻器R2和R3电阻的变化影响。
在操作中，存在对电容器C的电容充电所需的时间延迟。因此，在电路操作的开始处将存在如下危险：响应于输入驱动信号IN1而在输出端12处产生的输出信号将具有小于SiC MOSFET的绝对最大额定值(AMR)的电压。这在图2中示出在参考标记50处，其中在电容器C变得被充分充电以将信号电平偏移至晶体管器件的AMR内范围之前的大段时间期间，输出信号的电压小于-5.75V(在操作开始处具有-12.2V的最大值－该负电压通常低于用于SiC MOSFET的负驱动电压的AMR)。
如图3A中所示，通过添加栅极钳位电路54而解决了该问题。图3A中相同的参考数字指代图1A中相同的部件和部分，并且将不再进一步描述。栅极钳位电路54包括齐纳二极管D2，具有连接至SiC MOSFET 14的栅极端子的阳极，以及连接至中间节点56的阴极。栅极钳位电路54进一步包括齐纳二极管D3，其具有连接至中间节点56的阴极，以及连接至SiCMOSFET 14的源极端子的阳极。二极管D3在一些实施例中将取决于击穿电压而使用两个或多个串联连接的器件而实施。
二极管D2用于对SiC MOSFET 14的Vgs的负电压电平钳位。二极管D2因此应该被选择为具有比满足晶体管的绝对最大额定值(AMR)的最小Vgs-off的绝对幅度更小、并且比钳位电路的Vgs-off更大的击穿电压，以便于仅当对电容器C充电时在操作开始处激活。从数学上而言：Vgs-off<VbrD2<AMR-VfD3，其中VbrD2是二极管D2的击穿电压，VfD3是二极管D3的正向电压。二极管D3用于在晶体管导通期间阻断电流。二极管D3因此应该被选择为具有比SiC MOSFET 14的Vgs-on更大的击穿电压。优选地，二极管D3的击穿电压小于由晶体管的绝对最大额定值(AMR)所规定的最大Vgs-on。齐纳二极管用于二极管D3，以便于以更精确方式控制击穿电压。在一些实施例中，二极管D3可以取决于所需击穿电压而使用两个或更多串联连接的器件而实施。
栅极钳位电路54的有益效果在图4中以参考标记60示出。应该注意，与图2相比，负电压的钳位用于防止栅极驱动信号电压降低至低于最小Vgs-off，这将违反晶体管的绝对最大额定值(AMR)。
电阻器R1的电阻被选择为在功率损耗和开关损耗之间平衡。较大的电阻减小了钳位二极管上的功率损耗，而较小的电阻减小了开关损耗(尤其在高频下)。
图1A和图3A的电平偏移电路10示出为与低压侧SiC MOSFET驱动器电路结合使用。然而，应该理解，相同的电路配置可以用于如图1B和图3B中所示的高压侧驱动器应用(其中对参考数字添加符号(’)标记以用于如上所述的相同或类似部件)。节点22也可以表示均具有高压侧电路和低压侧电路的半桥电路配置中的公共输出端。用于高压侧电路的电平偏移器接收输入驱动信号IN2。在半桥配置中，输入信号信号IN2将与输入驱动信号IN1在相位上相差180o，并且进一步地，信号IN1和IN2可以被配置为非重叠信号以便于杜绝SiC MOSFET14和14’的击穿操作。
在图5中示出了用于半桥电路的电路图。用于图5的电路的高压侧的操作波形被示出在图6中。在此情形中：IR1’是流过电阻器R1’的电流；IC’是流过电容器C’的电流，IR2’是流过电阻器R2’的电流，ID1’是流过二极管D1’的电流，Vgs14’是在节点12(称作节点22以使其代表真实的栅极至源极电压)处的SiC MOSFET 14’的栅极驱动电压，V28’是在分压器的分接头节点28’处的电压，以及V24’是在节点24’(称作节点22)处的输入电压IN2。类似的波形应用于图5的电路的低压侧的操作。
前述说明书已经借由示例性和非限定性示例的方式提供了本实用新型示例性实施例的全面和丰富的说明。然而，当结合附图和所附权利要求阅读时，考虑到前述说明书，各种修改和改变可以变得对于相关领域技术人员是明显的。然而，对本实用新型教导的所有这种和类似的修改仍然将落入如所附权利要求中所限定的本实用新型的范围内。

Claims (15)

1.一种电平偏移电路，其特征在于，包括：
输入节点；
输出节点，被配置用于耦合至SiC MOSFET的栅极端子；
电容器，被耦合在所述输入节点和所述输出节点之间；
分压器电路，被耦合在所述输入节点与被配置用于耦合至所述SiC MOSFET的源极端子的参考节点之间，所述分压器电路具有分接头节点；以及
第一二极管，具有耦合至所述分接头节点的阳极，以及耦合至所述电容器的端子的阴极。
2.根据权利要求1所述的电平偏移电路，其特征在于，所述电容器的第一端子连接至所述输入节点，所述电容器的第二端子连接至中间节点，以及其中所述第一二极管的所述阴极连接至所述中间节点。
3.根据权利要求2所述的电平偏移电路，其特征在于，进一步包括电阻器，被耦合在所述中间节点与所述输出节点之间。
4.根据权利要求3所述的电平偏移电路，其特征在于，所述电阻器的第一端子连接至所述中间节点，以及所述电阻器的第二端子连接至所述输出节点。
5.根据权利要求1所述的电平偏移电路，其特征在于，所述第一二极管的所述阳极连接至所述分接头节点，以及所述第一二极管的所述阴极连接至所述电容器的所述端子。
6.根据权利要求1所述的电平偏移电路，其特征在于，进一步包括栅极钳位电路，被耦合在所述输出节点与所述参考节点之间，所述栅极钳位电路被配置用于钳位所述SiCMOSFET的栅极至源极电压。
7.根据权利要求6所述的电平偏移电路，其特征在于，所述栅极钳位电路包括：
第二二极管，被耦合在所述输出节点与另一中间节点之间；以及
第三二极管，被耦合在所述另一中间节点与所述参考节点之间；
其中所述第一二极管和所述第二二极管的阳极相互连接。
8.一种电子装置，其特征在于，包括：
电平偏移电路，具有被配置用于接收具有对称的最大电压和最小电压的输入信号的输入端，以及被配置用于提供具有非对称的最大电压和最小电压的输出信号的输出端；以及
SiC MOSFET，具有由所述输出信号驱动的栅极端子。
9.根据权利要求8所述的电子装置，其特征在于，所述电平偏移电路包括：
电容器，被耦合在所述输入端与所述输出端之间；
分压器电路，被耦合在所述输入端与被配置用于耦合至所述SiC MOSFET的源极端子的参考节点之间，所述分压器电路具有分接头节点；以及
第一二极管，具有耦合至所述分接头节点的阳极，以及耦合至所述电容器的端子的阴极。
10.根据权利要求9所述的电子装置，其特征在于，所述电容器的第一端子连接至所述输入端，所述电容器的第二端子连接至中间节点，以及其中所述第一二极管的所述阴极连接至所述中间节点。
11.根据权利要求10所述的电子装置，其特征在于，进一步包括电阻器，被耦合在所述中间节点与所述输出端之间。
12.根据权利要求11所述的电子装置，其特征在于，所述电阻器的第一端子连接至所述中间节点，以及所述电阻器的第二端子连接至所述输出端。
13.根据权利要求9所述的电子装置，其特征在于，所述第一二极管的所述阳极连接至所述分接头节点，以及所述第一二极管的所述阴极连接至所述电容器的所述端子。
14.根据权利要求9所述的电子装置，其特征在于，进一步包括栅极钳位电路，被耦合在所述输出端与所述参考节点之间，所述栅极钳位电路被配置用于钳位所述SiC MOSFET的栅极至源极电压。
15.根据权利要求14所述的电子装置，其特征在于，所述栅极钳位电路包括：
第二二极管，被耦合在所述输出端与另一中间节点之间；以及
第三二极管，被耦合在所述另一中间节点与所述参考节点之间；
其中所述第一二极管和所述第二二极管的阳极相互连接。
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