專利名稱：用于控制高壓晶體管的驅(qū)動器、特別是用于內(nèi)燃機的火花點火的高壓射頻生成器的mos晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對高壓晶體管的驅(qū)動，特別是具有高柵漏電容且必須轉(zhuǎn)換 幾兆赫茲的頻率的那些晶體管，例如用于內(nèi)燃機火花點火的射頻AC高壓 生成器(1 kV/20 A/5 MHz)的情況。這種晶體管的例子可以是MOS (金 屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管。技術(shù)領(lǐng)域例如在本申請人的法國專利申請2 859 869、 2 859 830及2 859 831中 描述了這種生成器的示例性實施例。射頻AC高壓生成器的運作需要快速驅(qū)動高壓晶體管，該晶體管的源 極接地。目前，用于驅(qū)動這種高壓MOS晶體管且轉(zhuǎn)換幾兆赫茲頻率的驅(qū)動器 大部分都存在輸入與輸出之間的傳播延遲，該延遲對于所設(shè)想的反饋控制 而言過長?？紤]到所需要的性能，存在對變壓器的現(xiàn)有技術(shù)解決方案，其對高壓 晶體管的柵極施加一能有效關(guān)斷晶體管的對稱電壓。然而這些解決方案通 常比具有非繞線有源元件的電路成本更高。本發(fā)明旨在提供一種對這個問題的解決方案。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一個目的是提供一種用于快速驅(qū)動晶體管的驅(qū)動器，特別是 用于射頻AC高壓生成器的高壓晶體管，其能夠遵守輸入與輸出之間大約 15至20 ns的信號傳播時間，同時仍提供基于非繞線有源元件的單極結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，因而提出了一種具有兩個補充MOS驅(qū)動晶 體管的同步驅(qū)動的"推挽(push-pull)，，型安排。更確切地，根據(jù)本發(fā)明的這個方面，提出了一種用于驅(qū)動高壓晶體管 的驅(qū)動器，特別是射頻高壓生成器的MOS晶體管，其包括一用于接收邏輯驅(qū)動信號的輸入端；一用于遞送所述高壓晶體管的輸出驅(qū)動信號的輸出端；一具有低內(nèi)部阻抗的第一驅(qū)動晶體管nMOS，其連接在地面和所述輸 出端之間并且其柵極連接到所述輸入端；以及一第二驅(qū)動晶體管pMOS，其連接在電源端與所述輸出端之間并且其 柵極經(jīng)由雙極晶體管連接到所述輸入端，所述雙極晶體管被安排成共基極 并且由電容耦合電路對其射極進行電流控制。由于與晶體管的柵漏電容有關(guān)且針對大約io ns的轉(zhuǎn)換時間的Miller 效應(yīng)，在所述高壓晶體管的柵極上在其關(guān)斷時出現(xiàn)了大約十幾安培的電流。 因此，為防止晶體管恢復(fù)導(dǎo)電并且振蕩，有必要引入一種對于地面具有低 阻抗的驅(qū)動電路，該驅(qū)動電路在這里是通過使用具有低內(nèi)部阻抗的nMOS 驅(qū)動晶體管來實現(xiàn)的，該阻抗典型地低于lohm，優(yōu)選地低于0.5ohm。此外，通過特別地經(jīng)由安排成共基極且由電容耦合電路對其射極進行 電流控制的雙極晶體管來驅(qū)動pMOS第二驅(qū)動晶體管，即使當電源電壓較 低時也可以確?？焖儆行У霓D(zhuǎn)換，電源電壓較低的情況可能是發(fā)動車輛時 電池電壓下降到8V以下的過程中出現(xiàn)的。在一個實施例中，電容耦合電路包括連接到所述輸入端的電容、連接 到雙極晶體管的射極的第一電阻，以及在所述第一電阻和所述電容之間串 行連接的構(gòu)成二極管的裝置。有利地，所述驅(qū)動器還包括第二電阻，該笫二電阻連接在所述雙極晶 體管的集電極與所述電源端之間，并且與該雙極晶體管構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換器級， 以及連接在所述電平轉(zhuǎn)換器級與pMOS第二驅(qū)動晶體管的柵極之間的跟隨 器級。此外，所述驅(qū)動器優(yōu)選地還包括連接在nMOS第一驅(qū)動晶體管的柵極與所述輸入端之間的第一放大電路，以及連接在所述輸入端與所述電容耦 合電路之間的第二放大電路。這兩個放大電路使之有可能在必要的時候電流放大邏輯驅(qū)動信號(例如是0 - 5伏特的信號)，從而在其轉(zhuǎn)換時在驅(qū)動晶體管的柵極上損:供足夠 的電流，所述J故大電路例如由74AC系列的MOS邏輯電路制成。即使pMOS驅(qū)動晶體管和nMOS驅(qū)動晶體管理論上不會同時轉(zhuǎn)換， 然而由于它們各自的轉(zhuǎn)換與邏輯輸入驅(qū)動信號的高狀態(tài)或低狀態(tài)相關(guān)聯(lián)， 因此在給定電路內(nèi)的傳播時間且給定轉(zhuǎn)換頻率的情況下這兩個驅(qū)動晶體管 仍然可能在4艮短的時間內(nèi)同時轉(zhuǎn)換。盡管這對于驅(qū)動器的運作并不造成問 題，然而卻導(dǎo)致了耗散損失。為克服該缺陷，設(shè)想所述驅(qū)動器有利地包括 相移電路，該相移電路連接在所述輸入端與nMOS第一驅(qū)動晶體管的柵極 之間，例如連接在所述輸入端與所述第一放大電路的輸入之間，從而偏置 兩個驅(qū)動晶體管的驅(qū)動信號。為了增加驅(qū)動器的工作頻率范圍，特別是為了使得驅(qū)動器能夠以低頻 而有效地被使用，驅(qū)動器有利地還包括其輸入連接到所述輸入端的附加放 大電路，以及連接在地面與安排成共基極的雙極晶體管的集電極之間的附 加nMOS晶體管，其柵極連接到所述附加放大電路的輸出。如上所述的驅(qū)動器特別適用于驅(qū)動用于內(nèi)燃機的火花點火的射頻高壓 生成器的晶體管。另一可能的應(yīng)用是驅(qū)動用于生成等離子的射頻高壓生成器的晶體管。


參考附圖，通過檢查對非限制性實施例的詳細描述，本發(fā)明的其他優(yōu) 點和特征將變得明顯，其中一圖l示出了根據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器的笫一實施例； 一圖2詳細示出了圖l所示驅(qū)動器的一部分；和 —圖3示出了才艮據(jù)本發(fā)明的驅(qū)動器的另 一實施例。
具體實施方式
在圖1中，標記DISP表示用于驅(qū)動高壓晶體管MHT的驅(qū)動器，其 源極接地GND并且例如構(gòu)成用于內(nèi)燃機的火花點火的射頻AC高壓生成 器的一部分。驅(qū)動器DISP具有能夠接收邏輯驅(qū)動信號的輸入端IN，所述信號可以 具有高邏輯狀態(tài)(例如5V)或低邏輯狀態(tài)(例如0V)。邏輯驅(qū)動信號被傳送至74AC系列的MOS邏輯電路的輸入2、 3、 4、 和5，該電路標記為IC1，所述電路例如是由Fairchild公司出售的電路 74AC 541。邏輯驅(qū)動信號也經(jīng)由由電阻Ri、 二極管Dl及電容Cl構(gòu)成的相移電 路而被傳送至電路IC1的其他四個輸入，即輸入6、 7、 8和9，所勤目移 電路的功能將在下文詳細討論。如圖2中更具體顯示的，輸入6、 7、 8和9連接至AC14系列類型的 四個端口，其是平行安裝的并且構(gòu)成第一放大電路AMP1。同樣，輸入2、 3、 4和5連接到其他四個AC14端口，這四個端口也 是平行安裝的并且構(gòu)成第二放大電路AMP2。這些邏輯端口中的每一個都能夠作為輸出而遞送50mA的電流，由此 使之有可能作為每個放大電路AMP2的輸出而獲得200 mA的電流，該200 mA的電流使得將在下文詳細說明的驅(qū)動晶體管能夠被正確地驅(qū)動。第一放大電路AMP1的輸出直接連接到第一驅(qū)動晶體管Q6的柵極， 該第一驅(qū)動晶體管是nMOS晶體管。這個第一驅(qū)動晶體管Q6具有相對于地面非常低的內(nèi)部阻抗。作為指 導(dǎo)，例如選擇由Philips公司出售的參考符號為PHP3055的晶體管，其具 有大約0.1 ohm的內(nèi)部阻抗。盡管晶體管Q6的源極連接至地面，然而其漏極連接到驅(qū)動器DISP 的輸出端OUT。第二放大電路AMP2的輸出連接到電容耦合電路，即信號對稱器，其 由電容C2、作為高速二極管安裝的晶體管Q1和電阻R2構(gòu)成，這三個元件平行安裝在第二放大電路AMP2的輸出上。這個電容耦合電路使之有可能通過其射極上的電流來驅(qū)動安排成共基 極的雙極晶體管Q2，也就是說其基極接地。晶體管Q2的集電極經(jīng)由電阻R3連接到電源電壓Vdd，其例如是電池 電壓。晶體管Q2和電阻R3因而構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換器級。晶體管Q2的集電極經(jīng)由通常由兩個晶體管Q3和Q4構(gòu)成的跟隨器級 而連接到第二驅(qū)動晶體管Q5的柵極，該第二驅(qū)動晶體管是pMOS晶體管。該pMOS晶體管Q5連接在電源電壓Vdd與輸出端OUT之間。晶體管Q5例如是由International Rectifier公司出售的參考符號為 IRFD9110的晶體管，該晶體管Q5的閾值電壓大約是5 V并且可以用10 V 的電壓容易地驅(qū)動。在其射^1上#:電流驅(qū)動并且其柵極接地的晶體管Q2能夠?qū)崿F(xiàn)非?？?速的轉(zhuǎn)換。此外，為了即使在電源電壓較低時也保持快速轉(zhuǎn)換的可能性(發(fā)動車 輛時，電池電壓可能降低至8V以下)，使用共基極安排是有利的，也就 是說Q2的基極是接地的。隨后，在其射極上必須有負電壓以確保其轉(zhuǎn)換， 這通過電容耦合電路C2/Q1/R2來實現(xiàn)。因此，在所述輸入端的正半周期間，即當輸入邏輯驅(qū)動信號改變成高 狀態(tài)時，電容C2負責(zé)導(dǎo)通用作高速二極管的晶體管Q1，直到電壓大約為 MOS邏輯電路IC1的電源電壓與二極管的閾值電壓之差。當輸入信號改變成低邏輯狀態(tài)時，電路IC1的輸出也改變成幾乎為零 的電壓，并且電容C2的端子的電壓使之有可能在電阻2上強加一負電勢 并且因此非常突然地轉(zhuǎn)換晶體管Q2。所述pMOS驅(qū)動晶體管Q5因而在 之后的幾納秒變?yōu)閷?dǎo)通。然而，當輸入邏輯信號處于高狀態(tài)時，晶體管Q5處于截止狀態(tài)而晶 體管Q6處于導(dǎo)通狀態(tài)。這可以是這樣的情況，為確保兩個驅(qū)動晶體管Q5和Q6不同時轉(zhuǎn)換， 使用相移電路是有利的，該相移電路是由電阻Rl、 二極管Dl以及電容Cl構(gòu)成的，其能夠關(guān)于在第二放大電路AMP2的輸入處遞送的邏輯驅(qū)動 信號而在時間上延遲在第一放大電路AMP1的輸入處遞送的邏輯驅(qū)動信 號，這兩個電路AMP1和AMP2是以MOS邏輯電路ICl實現(xiàn)的。當晶體管Q6處于導(dǎo)通狀態(tài)時，高壓MOS晶體管MHT處于截止狀態(tài)。 因此，在晶體管MHT的柵極上出現(xiàn)了大電流脈沖。然而，由于晶體管Q6 的低內(nèi)部阻抗，這個大電流脈沖并未導(dǎo)致晶體管MHT柵極上的電壓高到 足以將其導(dǎo)通，其會導(dǎo)致不期望的晶體管MHT振蕩。換言之，驅(qū)動晶體管Q6的低內(nèi)部阻抗能夠確保高壓晶體管MHT正 確地處于截止狀態(tài)。圖1所示的驅(qū)動器具有輸入IN與輸出OUT之間的大約20 ns的傳播 時間，其上升時間大約為15ns。圖1所示的驅(qū)動器的實施例特別適合于高頻運作。這是這樣的情況， 為了增加驅(qū)動器帶寬，即使得驅(qū)動器可以在更寬的頻率范圍內(nèi)有效地運作， 特別是以低頻運作，使用圖3所示的實施例是特別有利的。與圖1所示到實施例相比，圖3所示的驅(qū)動器DISP還包括例如由連 接到輸入端IN的74AC140端口構(gòu)成的附加放大電路IC2A，以及連接在 地面與晶體管Q2集電極之間的附加nMOS晶體管Q7。這個附加晶體管 Q7的柵極連接到附加放大電路IC2A的輸出。由于電容C2的值(例如100納法)而造成的電阻R2 (例如50ohm) 和電阻R3 (例如120 ohm)的動態(tài)行為在低頻是不能令人滿意的，因為在 輸入邏輯信號的下降沿上，電容C2導(dǎo)通電阻R2和電阻R3并且在完全充 滿時才結(jié)束，以使得晶體管Q2可以被再次關(guān)斷并且因此在不期望的時刻 轉(zhuǎn)變輸出。因此，為實現(xiàn)驅(qū)動器在低頻的可接受的使用，而不管這個特別適合高 頻反應(yīng)性的動態(tài)行為，插入了附加放大電路IC2A和附加nMOS晶體管 Q7.因此，在輸入邏輯驅(qū)動信號的負半周，由電容C2、晶體管Q1、電阻 R2、晶體管Q2及電阻R3構(gòu)成的電路能夠在輸出上建立快速的前沿。因此，附加電路IC2A/Q7在跟隨器級Q3/Q4的輸入上保持低狀態(tài)，直到輸 入邏輯信號的下一半周。
權(quán)利要求
1.一種用于驅(qū)動高壓晶體管的驅(qū)動器，特別是射頻高壓生成器的MOS晶體管，其特征在于，該驅(qū)動器包括輸入端(IN)，用于接收邏輯驅(qū)動信號；輸出端(OUT)，用于遞送所述高壓晶體管的輸出驅(qū)動信號；具有低內(nèi)部阻抗的nMOS第一驅(qū)動晶體管(Q6)，其連接在地面與所述輸出端之間并且其柵極連接到所述輸入端；以及pMOS第二驅(qū)動晶體管(Q5)，其連接在電源端與所述輸出端之間并且其柵極經(jīng)由雙極晶體管(Q2)連接到所述輸入端，所述雙極晶體管被安排成共基極并且由電容耦合電路(C2、Q1、R2)在其射極上進行電流控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動器，其中，所述nMOS第一 驅(qū)動晶體管(Q6)的內(nèi)部阻抗小于1 ohm，優(yōu)選地小于0.5 ohm。
3. 根據(jù)前面任一權(quán)利要求所述的驅(qū)動器，其中，所述電容耦 合電路包括連接到所述輸入端的電容(C2)、連接到所述雙極晶 體管的射極的第一電阻(R2)，以及在所述電阻與所述電容之間 串行連接的構(gòu)成二極管的裝置(Ql)。
4. 根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的驅(qū)動器，還包括第二電阻 (R3)，該笫二電阻連接在所述雙極晶體管(Q2)的集電極與所述電源端之間并且與所述雙極晶體管構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換器級以及跟隨 器級(Q3、 Q4)，該跟隨器級連接在所述電平轉(zhuǎn)換器級與所述 pMOS第二驅(qū)動晶體管的柵極之間。
5. 根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的驅(qū)動器，還包括連接在所述 nMOS第 一 驅(qū)動晶體管的柵極與所述輸入端之間的第 一放大電路(AMP1 )，和連接在所述輸入端與所述電容耦合電路之間的第二 放大電路(AMP2 )。
6. 根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的驅(qū)動器，還包括連接在所述 輸入端與所述nMOS第一驅(qū)動晶體管的柵極之間的相移電路(Rl、Cl、 Dl )。
7. 根據(jù)前面權(quán)利要求之一所述的驅(qū)動器，還包括其輸入連接 到所述輸入端的附加放大電路(IC2A)和附加nMOS晶體管(Q7)， 該附加nMOS晶體管連接在地面與安排成共基極的所述雙極晶體 管的集電極之間并且其柵極連接到所述附加放大電路的輸出。
8. 對根據(jù)權(quán)利要求l-7之一所述的驅(qū)動器的應(yīng)用，所述驅(qū)動 器用于驅(qū)動用于內(nèi)燃機的火花點火的高壓射頻生成器的晶體管。
9. 對根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的驅(qū)動器的應(yīng)用，所述驅(qū)動 器用于驅(qū)動用于生成等離子的高壓射頻生成器的晶體管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于驅(qū)動高壓晶體管的驅(qū)動器，其包括輸入端(IN)，用于接收邏輯控制信號；輸出端(OUT)，用于遞送高壓MOS晶體管的輸出控制信號；具有低內(nèi)部阻抗的nMOS第一驅(qū)動晶體管(Q6)，其連接在地面與所述輸出端之間并且其柵極連接到所述輸入端；以及pMOS第二驅(qū)動晶體管(Q5)，其連接在電源端與所述輸出端之間并且其柵極經(jīng)由雙極晶體管(Q2)連接到所述輸入端，所述雙極晶體管被安排成共基極并且由電容耦合電路(C2、Q1、R2)在其射極上進行電流控制。
文檔編號H03K3/57GK101238640SQ200680028757
公開日2008年8月6日 申請日期2006年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月6日
發(fā)明者A·阿涅雷, C·努瓦爾 申請人:雷諾股份公司