專利名稱：金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的驅(qū)動電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電路和方法，用于改進諸如金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，尤其是功率MOSFET，之類的絕緣柵半導(dǎo)體器件的開關(guān)速度。
背景技術(shù)：
晶體管結(jié)中固有的電容限制了電路中電壓的開關(guān)速度。眾所周知，密勒效應(yīng)對上述類型器件的柵極電容有影響。
現(xiàn)有技術(shù)講授了緩和高頻晶體管開關(guān)電路中密勒效應(yīng)的許多方法，例如，通過降低源極阻抗或降低反饋電容，或兩者。
即使具有這種改進，諸如IRF740之類的MOSFET的輸出一般以10安培的峰值電流以約27毫微秒的上升時間和24毫微秒的下降時間切換到200伏。這些時間對于許多應(yīng)用是太長了。
本發(fā)明的目的因此，本發(fā)明的目的是提供用于改進絕緣柵半導(dǎo)體器件上升和/或下降時間的觸發(fā)電路和方法，申請人相信使用它至少能緩解上述缺點。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供用于絕緣柵半導(dǎo)體器件的一種觸發(fā)電路，所述絕緣柵半導(dǎo)體器件包括作為第一端子的柵極，并且進一步包括至少第二和第三端子，所述電路包括—在電路中連接到器件柵極的電荷存儲器件和高速開關(guān)裝置；—在比絕緣柵器件規(guī)定導(dǎo)通延遲時間短的第一時間周期中，高速開關(guān)裝置能夠在截止和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換；以及—可控制高速開關(guān)裝置，使之移動存儲器件和絕緣柵器件柵極之間的電荷，以致在比絕緣柵器件規(guī)定上升時間或下降時間短的第二時間周期中，絕緣柵器件在截止?fàn)顟B(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換。
絕緣柵半導(dǎo)體器件可以是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，諸如，功率MOSFET。
另一方面，絕緣柵半導(dǎo)體器件可以是絕緣柵雙極晶體管。
最好，第一時間周期短于2毫微秒。
第一開關(guān)裝置可以包括下列之一SIDAC、轉(zhuǎn)折二極管、雙極晶體管、其它絕緣柵半導(dǎo)體器件以及高壓高速開關(guān)器件。
一般，規(guī)定的導(dǎo)通時間是最小導(dǎo)通時間，所述最小導(dǎo)通時間是在與絕緣柵半導(dǎo)體器件有關(guān)的可得到的公開數(shù)據(jù)表中規(guī)定的。
可以電子控制高速開關(guān)裝置。
電荷存儲器件可以是電容器。
在分別比規(guī)定的上升和下降時間短的周期中，絕緣柵半導(dǎo)體器件可以從截止?fàn)顟B(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，以及從導(dǎo)通狀態(tài)切換到截止?fàn)顟B(tài)。
在高速開關(guān)裝置和柵極之間的電路中可以提供電感。
可以把觸發(fā)電路集成在單個芯片上。
芯片可以進一步包括也集成在其上的另外的電路。
根據(jù)本發(fā)明另一個方面，驅(qū)動絕緣柵半導(dǎo)體器件的方法包括下列步驟—利用高速開關(guān)裝置把電荷傳送到器件的柵極；—在比絕緣柵器件的規(guī)定導(dǎo)通延遲時間短的第一時間周期中，切換高速開關(guān)裝置到導(dǎo)通；—將電荷移入或移出柵極，在比絕緣柵器件的規(guī)定上升時間和下降時間短的第二時間周期中，使絕緣柵器件在截止和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換。
附圖簡述現(xiàn)在將參考附圖描述本發(fā)明，只是作為例子，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的MOSFET的觸發(fā)電路的基本電路圖；圖2是包括SIDAC作為高速開關(guān)器件的電路的一個實施例的圖；圖3包括柵極電壓對MOSFET的一般規(guī)定操作時間的虛線圖，以及根據(jù)本發(fā)明方法操作的實線圖；圖4包括柵極電流對MOSFET的一般規(guī)定操作時間的虛線圖，以及根據(jù)本發(fā)明方法操作的實線圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的電路的另一個實施例的圖；
圖6是圖5中電荷存儲電容器的第一端子處的電壓對時間的波形；圖7是圖5中MOSFET源極處的電壓對時間的波形；圖8是用于絕緣柵雙極晶體管的觸發(fā)電路圖；圖9是圖8電路中電荷存儲電容器第一端子處的電壓對時間的波形；圖10是圖8中晶體管的發(fā)射極處的電壓對時間的波形；以及圖11是觸發(fā)電路的再一個實施例的基本電路圖。
本發(fā)明較佳實施例的描述在圖1中，示出根據(jù)本發(fā)明的觸發(fā)電路10的基本線路圖，用于諸如金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)之類的絕緣柵半導(dǎo)體器件12。
在圖中，示出可以從International Rectifier購得的功率MOSFET，它的商標是HEXFET，型號是IRF740。在可公開得到的器件的用戶數(shù)據(jù)表中，規(guī)定輸出電壓的10％到90％的上升時間為約27毫微秒，而規(guī)定相應(yīng)的下降時間為約24毫微秒。對于MOSFET的某些應(yīng)用，這些時間可能是太長了。規(guī)定導(dǎo)通延遲時間為14毫微秒，而截止延遲時間為50毫微秒。
觸發(fā)電路10包括形式為電容器14的電荷存儲器件，所述電容器14具有分別為14.1和14.2的第一和第二端子。在電路17中，把第一端子14.1連接到高速開關(guān)裝置16。把任選的電感器18連接在高速開關(guān)裝置16和MOSFET的柵極20之間。分別在22和24處示出MOSFET的漏極和源極。
高速開關(guān)裝置16可以是開關(guān)速度大于數(shù)據(jù)表所規(guī)定MOSFET導(dǎo)通延遲時間和/或截止延遲時間的任何合適器件，最好，優(yōu)于2毫微秒。這種器件可以包括SIDAC、轉(zhuǎn)折二極管、合適配置的雙極晶體管裝置、或任何其它合適的高速開關(guān)器件或電路。
為了使MOSFET切換到導(dǎo)通，使高速開關(guān)裝置電氣地切換到導(dǎo)通，把足夠的電荷從電容器14快速地傳遞到MOSFET的柵極20，使MOSFET切換到導(dǎo)通。
在圖3和4中示出圖1中電路的時間圖。虛線示出的圖表示MOSFET 12的一般規(guī)定操作。因此，圖3中的曲線圖30示出在傳統(tǒng)導(dǎo)通期間MOSFET的柵極電壓。在32處使MOSFET導(dǎo)通，曲線圖示出約34毫微秒的導(dǎo)通延遲時間。在圖4中的34示出相關(guān)聯(lián)的柵極電流。
圖3和4中的36和38分別示出根據(jù)本發(fā)明方法的曲線圖。在圖3的40處，示出從電容器14通過開關(guān)16的快速電荷傳遞，結(jié)果在MOSFET的柵極上建立電壓。在42處示出的柵極電壓之后的下降可歸因于上述密勒效應(yīng)。然而，可清楚看到只在4毫微秒之后，器件在44處切換到導(dǎo)通。圖4中的38處示出柵極20處的關(guān)聯(lián)電流。起初，在電荷傳遞階段期間，柵極電流是高的，此后柵極電流降低到可忽略的程度。還可以相信，使漏極電流在MOSFET的數(shù)據(jù)規(guī)格之內(nèi)，用根據(jù)本發(fā)明的開關(guān)方法和電路還可以降低開關(guān)損耗。
電容器14的值(C)、切換之前電容器上需要的電壓(Vc)以及開關(guān)器件16的擊穿電壓、MOSFET 12的柵極門限電壓(Vt)以及完成MOSFET的切換所需要的柵極電荷(Qs)與下列公式有關(guān)CVc(Qs/Vt+C)>Vt]]>在圖2中，示出觸發(fā)電路10的電路圖，其中第一開關(guān)器件16是SIDAC。
在與SIDAC 16和MOSFET 12并聯(lián)的電容器14兩端施加周期性電壓。起初，在第一個半周期期間，輸入端19處施加的電壓不夠使SIDAC 14切換到導(dǎo)通，因此使電容器12充電。當(dāng)所提供的電壓達到SIDAC 16的門限值時，SIDAC 16導(dǎo)通，導(dǎo)致從電容器14到MOSFET 12的柵極的閉合電路，使電容器14部分地放電，因此使柵極20充電。結(jié)果是現(xiàn)在電容器14和柵極20之間將共享電荷，以致把最好高于相對于地的柵極門限電壓的某些電壓提供給柵極。
使用這個方法，在短時間間隔中，驅(qū)動的柵極電壓超過某些MOSFET 12的最大門限額定值約三倍到四倍，而不損壞器件。
相似地，當(dāng)在另半個周期中柵極電壓超過SIDAC 16的反向門限值，并在相反方向上傳導(dǎo)電流時，在電荷從MOSFET 12的柵極20消失后很短時間，MOSFET 12的柵極電壓基本下降到MOSFET 12的門限電壓以下。結(jié)果，MOSFET 12將截止，而且漏電流不再流動。
在圖5中，示出用于MOSFET 12的另外的自激振蕩觸發(fā)電路。利用相同的標號來表示該電路中與圖1和2中的電路元件相當(dāng)?shù)脑?。在該實施例中，高速開關(guān)裝置16包括雙極晶體管裝置。
在圖6中示出50處的電壓波形。在圖7中示出源極24處的電壓波形。從后一波形可以看到，在52處，上述MOSFET 12的源極24從“截止”狀態(tài)切換到約400V的“導(dǎo)通”狀態(tài)，上升時間tr為約4毫微秒，這比規(guī)定的27毫微秒的上升時間快得多。相似地，如在54處所示，從“導(dǎo)通”狀態(tài)切換到“截止”狀態(tài)，下降時間tf為約15毫微秒，這也比約24毫微秒的規(guī)定下降時間短得多。
在圖8中，示出用于絕緣柵雙極晶體管60的相似觸發(fā)電路10，所述絕緣柵雙極晶體管60具有柵極62、集電極64和發(fā)射極66。晶體管是由InternationalRectifier制造和銷售的IRG4PC50W器件。在圖9中示出圖8中68處的波形，并在圖10中示出負載70附近的發(fā)射極66處的波形。
從后一波形可以看出，在72處，發(fā)射極66從“截止”狀態(tài)切換到約400V的“導(dǎo)通”狀態(tài)，上升時間tr為約4毫微秒，這比規(guī)定的33毫微秒的上升時間短得多。
在圖11中示出觸發(fā)電路的又一個實施例。開關(guān)裝置包括低輸出阻抗、高電壓、高速開關(guān)驅(qū)動電路116。裝置116必須能夠在比器件12規(guī)定導(dǎo)通延遲時間短的第一時間周期中在0V和Vd之間切換。Vd最好大于20xVt。在市場上可得到這種特性的器件。
可以理解，在根據(jù)本發(fā)明的觸發(fā)電路和方法的細節(jié)中的許多改變不偏離所附的權(quán)利要求書的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種用于絕緣柵半導(dǎo)體器件的觸發(fā)電路，所述絕緣柵半導(dǎo)體器件包括作為第一端子的柵極，并進一步包括至少第二和第三端子，其特征在于，所述電路包括-在電路中連接到器件的柵極的電荷存儲器件和高速開關(guān)裝置；-高速開關(guān)裝置能夠在比絕緣柵器件的規(guī)定導(dǎo)通延遲時間短的第一時間周期中在截止和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換；以及-可控制高速開關(guān)裝置，使之移動存儲器件和絕緣柵器件柵極之間的電荷，以致絕緣柵器件在比絕緣柵器件的規(guī)定上升時間或下降時間短的第二時間周期中在截止?fàn)顟B(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換。
2.如權(quán)利要求1所述的觸發(fā)電路，其特征在于，絕緣柵半導(dǎo)體器件是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
3.如權(quán)利要求2所述的觸發(fā)電路，其特征在于，MOSFET是功率MOSFET。
4.如權(quán)利要求1所述的觸發(fā)電路，其特征在于，絕緣柵半導(dǎo)體器件是絕緣柵雙極晶體管。
5.如前面權(quán)利要求中任何一條所述的觸發(fā)電路，其特征在于，第一時間周期短于2毫微秒。
6.如權(quán)利要求1-5中任何一條所述的觸發(fā)電路，其特征在于，高速開關(guān)裝置包括SIDAC、轉(zhuǎn)折二極管、雙極晶體管、其它絕緣柵半導(dǎo)體器件以及高壓高速開關(guān)器件中之一。
7.如權(quán)利要求1-6中任何一條所述的觸發(fā)電路，其特征在于，規(guī)定的導(dǎo)通時間是與絕緣柵半導(dǎo)體器件有關(guān)的數(shù)據(jù)表中規(guī)定的最小導(dǎo)通時間。
8.如權(quán)利要求1-7中任何一條所述的觸發(fā)電路，其特征在于，可以電子地控制高速開關(guān)裝置。
9.如前面權(quán)利要求中任何一條所述的觸發(fā)電路，其特征在于，電荷存儲器件可以是電容器。
10.如前面權(quán)利要求中任何一條所述的觸發(fā)電路，其特征在于，絕緣柵半導(dǎo)體器件分別在比規(guī)定的上升和下降時間短的周期中，從截止?fàn)顟B(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，以及從導(dǎo)通狀態(tài)切換到截止?fàn)顟B(tài)。
11.如權(quán)利要求1-10中任何一條所述的觸發(fā)電路，其特征在于，在高速開關(guān)裝置和柵極之間包括電感。
12.如權(quán)利要求1-11中任何一條所述的觸發(fā)電路，其特征在于，可以把觸發(fā)電路集成在單個芯片上。
13.如權(quán)利要求12所述的觸發(fā)電路，其特征在于，芯片包括也集成在其上的另外的電路。
14.一種驅(qū)動絕緣柵半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，包括下列步驟-利用高速開關(guān)裝置把電荷傳入或傳出器件的柵極；-在比絕緣柵器件的規(guī)定導(dǎo)通延遲時間短的第一時間周期中，切換高速開關(guān)裝置到導(dǎo)通；-將電荷移入或移出柵極，使絕緣柵器件在比絕緣柵器件的規(guī)定上升時間或下降時間短的第二時間周期中在截止和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換。
15.一種用于絕緣柵半導(dǎo)體器件的觸發(fā)電路，它基本上如這里參考附圖所描述。
16.一種驅(qū)動絕緣柵半導(dǎo)體器件的方法，它基本上如這里參考附圖所描述。
全文摘要
用于諸如MOSFET(12)之類的絕緣柵半導(dǎo)體器件的觸發(fā)電路(10)包括在電路中連接到MOSFET柵極(20)的電荷存儲器件(14)和高速開關(guān)器件(16)。高速開關(guān)器件能夠在比MOSFET規(guī)定導(dǎo)通延遲時間短的第一時間周期中在截止和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換，并且可進一步控制高速開關(guān)器件，使電荷在存儲器件和柵極之間移動，以致MOSFET在比MOSFET的規(guī)定上升時間或下降時間短的第二時間周期中在截止?fàn)顟B(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)之間切換。
文檔編號C01B13/11GK1522495SQ01805515
公開日2004年8月18日 申請日期2001年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月23日
發(fā)明者B·維瑟, B 維瑟 申請人:坡契夫斯脫羅姆基督教大學(xué)