专利名称：用于控制高压晶体管的驱动器、特别是用于内燃机的火花点火的高压射频生成器的mos晶体管的制作方法
技术领域：
本发明涉及对高压晶体管的驱动，特别是具有高栅漏电容且必须转换 几兆赫兹的频率的那些晶体管，例如用于内燃机火花点火的射频AC高压 生成器(1 kV/20 A/5 MHz)的情况。这种晶体管的例子可以是MOS (金 属氧化物半导体)晶体管。技术领域例如在本申请人的法国专利申请2 859 869、 2 859 830及2 859 831中 描述了这种生成器的示例性实施例。射频AC高压生成器的运作需要快速驱动高压晶体管，该晶体管的源 极接地。目前，用于驱动这种高压MOS晶体管且转换几兆赫兹频率的驱动器 大部分都存在输入与输出之间的传播延迟，该延迟对于所设想的反馈控制 而言过长。考虑到所需要的性能，存在对变压器的现有技术解决方案，其对高压 晶体管的栅极施加一能有效关断晶体管的对称电压。然而这些解决方案通 常比具有非绕线有源元件的电路成本更高。本发明旨在提供一种对这个问题的解决方案。发明内容本发明的一个目的是提供一种用于快速驱动晶体管的驱动器，特别是 用于射频AC高压生成器的高压晶体管，其能够遵守输入与输出之间大约 15至20 ns的信号传播时间，同时仍提供基于非绕线有源元件的单极结构。根据本发明的一个方面，因而提出了一种具有两个补充MOS驱动晶 体管的同步驱动的"推挽(push-pull)，，型安排。更确切地，根据本发明的这个方面，提出了一种用于驱动高压晶体管 的驱动器，特别是射频高压生成器的MOS晶体管，其包括一用于接收逻辑驱动信号的输入端；一用于递送所述高压晶体管的输出驱动信号的输出端；一具有低内部阻抗的第一驱动晶体管nMOS，其连接在地面和所述输 出端之间并且其栅极连接到所述输入端；以及一第二驱动晶体管pMOS，其连接在电源端与所述输出端之间并且其 栅极经由双极晶体管连接到所述输入端，所述双极晶体管被安排成共基极 并且由电容耦合电路对其射极进行电流控制。由于与晶体管的栅漏电容有关且针对大约io ns的转换时间的Miller 效应，在所述高压晶体管的栅极上在其关断时出现了大约十几安培的电流。 因此，为防止晶体管恢复导电并且振荡，有必要引入一种对于地面具有低 阻抗的驱动电路，该驱动电路在这里是通过使用具有低内部阻抗的nMOS 驱动晶体管来实现的，该阻抗典型地低于lohm，优选地低于0.5ohm。此外，通过特别地经由安排成共基极且由电容耦合电路对其射极进行 电流控制的双极晶体管来驱动pMOS第二驱动晶体管，即使当电源电压较 低时也可以确保快速有效的转换，电源电压较低的情况可能是发动车辆时 电池电压下降到8V以下的过程中出现的。在一个实施例中，电容耦合电路包括连接到所述输入端的电容、连接 到双极晶体管的射极的第一电阻，以及在所述第一电阻和所述电容之间串 行连接的构成二极管的装置。有利地，所述驱动器还包括第二电阻，该笫二电阻连接在所述双极晶 体管的集电极与所述电源端之间，并且与该双极晶体管构成电平转换器级， 以及连接在所述电平转换器级与pMOS第二驱动晶体管的栅极之间的跟随 器级。此外，所述驱动器优选地还包括连接在nMOS第一驱动晶体管的栅极与所述输入端之间的第一放大电路，以及连接在所述输入端与所述电容耦 合电路之间的第二放大电路。这两个放大电路使之有可能在必要的时候电流放大逻辑驱动信号(例如是0 - 5伏特的信号)，从而在其转换时在驱动晶体管的栅极上損:供足够 的电流，所述J故大电路例如由74AC系列的MOS逻辑电路制成。即使pMOS驱动晶体管和nMOS驱动晶体管理论上不会同时转换， 然而由于它们各自的转换与逻辑输入驱动信号的高状态或低状态相关联， 因此在给定电路内的传播时间且给定转换频率的情况下这两个驱动晶体管 仍然可能在4艮短的时间内同时转换。尽管这对于驱动器的运作并不造成问 题，然而却导致了耗散损失。为克服该缺陷，设想所述驱动器有利地包括 相移电路，该相移电路连接在所述输入端与nMOS第一驱动晶体管的栅极 之间，例如连接在所述输入端与所述第一放大电路的输入之间，从而偏置 两个驱动晶体管的驱动信号。为了增加驱动器的工作频率范围，特别是为了使得驱动器能够以低频 而有效地被使用，驱动器有利地还包括其输入连接到所述输入端的附加放 大电路，以及连接在地面与安排成共基极的双极晶体管的集电极之间的附 加nMOS晶体管，其栅极连接到所述附加放大电路的输出。如上所述的驱动器特别适用于驱动用于内燃机的火花点火的射频高压 生成器的晶体管。另一可能的应用是驱动用于生成等离子的射频高压生成器的晶体管。
参考附图，通过检查对非限制性实施例的详细描述，本发明的其他优 点和特征将变得明显，其中一图l示出了根据本发明的驱动器的笫一实施例； 一图2详细示出了图l所示驱动器的一部分；和 —图3示出了才艮据本发明的驱动器的另 一实施例。
具体实施方式
在图1中，标记DISP表示用于驱动高压晶体管MHT的驱动器，其 源极接地GND并且例如构成用于内燃机的火花点火的射频AC高压生成 器的一部分。驱动器DISP具有能够接收逻辑驱动信号的输入端IN，所述信号可以 具有高逻辑状态(例如5V)或低逻辑状态(例如0V)。逻辑驱动信号被传送至74AC系列的MOS逻辑电路的输入2、 3、 4、 和5，该电路标记为IC1，所述电路例如是由Fairchild公司出售的电路 74AC 541。逻辑驱动信号也经由由电阻Ri、 二极管Dl及电容Cl构成的相移电 路而被传送至电路IC1的其他四个输入，即输入6、 7、 8和9，所勤目移 电路的功能将在下文详细讨论。如图2中更具体显示的，输入6、 7、 8和9连接至AC14系列类型的 四个端口，其是平行安装的并且构成第一放大电路AMP1。同样，输入2、 3、 4和5连接到其他四个AC14端口，这四个端口也 是平行安装的并且构成第二放大电路AMP2。这些逻辑端口中的每一个都能够作为输出而递送50mA的电流，由此 使之有可能作为每个放大电路AMP2的输出而获得200 mA的电流，该200 mA的电流使得将在下文详细说明的驱动晶体管能够被正确地驱动。第一放大电路AMP1的输出直接连接到第一驱动晶体管Q6的栅极， 该第一驱动晶体管是nMOS晶体管。这个第一驱动晶体管Q6具有相对于地面非常低的内部阻抗。作为指 导，例如选择由Philips公司出售的参考符号为PHP3055的晶体管，其具 有大约0.1 ohm的内部阻抗。尽管晶体管Q6的源极连接至地面，然而其漏极连接到驱动器DISP 的输出端OUT。第二放大电路AMP2的输出连接到电容耦合电路，即信号对称器，其 由电容C2、作为高速二极管安装的晶体管Q1和电阻R2构成，这三个元件平行安装在第二放大电路AMP2的输出上。这个电容耦合电路使之有可能通过其射极上的电流来驱动安排成共基 极的双极晶体管Q2，也就是说其基极接地。晶体管Q2的集电极经由电阻R3连接到电源电压Vdd，其例如是电池 电压。晶体管Q2和电阻R3因而构成电平转换器级。晶体管Q2的集电极经由通常由两个晶体管Q3和Q4构成的跟随器级 而连接到第二驱动晶体管Q5的栅极，该第二驱动晶体管是pMOS晶体管。该pMOS晶体管Q5连接在电源电压Vdd与输出端OUT之间。晶体管Q5例如是由International Rectifier公司出售的参考符号为 IRFD9110的晶体管，该晶体管Q5的阈值电压大约是5 V并且可以用10 V 的电压容易地驱动。在其射^1上#:电流驱动并且其栅极接地的晶体管Q2能够实现非常快 速的转换。此外，为了即使在电源电压较低时也保持快速转换的可能性(发动车 辆时，电池电压可能降低至8V以下)，使用共基极安排是有利的，也就 是说Q2的基极是接地的。随后，在其射极上必须有负电压以确保其转换， 这通过电容耦合电路C2/Q1/R2来实现。因此，在所述输入端的正半周期间，即当输入逻辑驱动信号改变成高 状态时，电容C2负责导通用作高速二极管的晶体管Q1，直到电压大约为 MOS逻辑电路IC1的电源电压与二极管的阈值电压之差。当输入信号改变成低逻辑状态时，电路IC1的输出也改变成几乎为零 的电压，并且电容C2的端子的电压使之有可能在电阻2上强加一负电势 并且因此非常突然地转换晶体管Q2。所述pMOS驱动晶体管Q5因而在 之后的几纳秒变为导通。然而，当输入逻辑信号处于高状态时，晶体管Q5处于截止状态而晶 体管Q6处于导通状态。这可以是这样的情况，为确保两个驱动晶体管Q5和Q6不同时转换， 使用相移电路是有利的，该相移电路是由电阻Rl、 二极管Dl以及电容Cl构成的，其能够关于在第二放大电路AMP2的输入处递送的逻辑驱动 信号而在时间上延迟在第一放大电路AMP1的输入处递送的逻辑驱动信 号，这两个电路AMP1和AMP2是以MOS逻辑电路ICl实现的。当晶体管Q6处于导通状态时，高压MOS晶体管MHT处于截止状态。 因此，在晶体管MHT的栅极上出现了大电流脉沖。然而，由于晶体管Q6 的低内部阻抗，这个大电流脉沖并未导致晶体管MHT栅极上的电压高到 足以将其导通，其会导致不期望的晶体管MHT振荡。换言之，驱动晶体管Q6的低内部阻抗能够确保高压晶体管MHT正 确地处于截止状态。图1所示的驱动器具有输入IN与输出OUT之间的大约20 ns的传播 时间，其上升时间大约为15ns。图1所示的驱动器的实施例特别适合于高频运作。这是这样的情况， 为了增加驱动器带宽，即使得驱动器可以在更宽的频率范围内有效地运作， 特别是以低频运作，使用图3所示的实施例是特别有利的。与图1所示到实施例相比，图3所示的驱动器DISP还包括例如由连 接到输入端IN的74AC140端口构成的附加放大电路IC2A，以及连接在 地面与晶体管Q2集电极之间的附加nMOS晶体管Q7。这个附加晶体管 Q7的栅极连接到附加放大电路IC2A的输出。由于电容C2的值(例如100纳法)而造成的电阻R2 (例如50ohm) 和电阻R3 (例如120 ohm)的动态行为在低频是不能令人满意的，因为在 输入逻辑信号的下降沿上，电容C2导通电阻R2和电阻R3并且在完全充 满时才结束，以使得晶体管Q2可以被再次关断并且因此在不期望的时刻 转变输出。因此，为实现驱动器在低频的可接受的使用，而不管这个特别适合高 频反应性的动态行为，插入了附加放大电路IC2A和附加nMOS晶体管 Q7.因此，在输入逻辑驱动信号的负半周，由电容C2、晶体管Q1、电阻 R2、晶体管Q2及电阻R3构成的电路能够在输出上建立快速的前沿。因此，附加电路IC2A/Q7在跟随器级Q3/Q4的输入上保持低状态，直到输 入逻辑信号的下一半周。
权利要求
1.一种用于驱动高压晶体管的驱动器，特别是射频高压生成器的MOS晶体管，其特征在于，该驱动器包括输入端(IN)，用于接收逻辑驱动信号；输出端(OUT)，用于递送所述高压晶体管的输出驱动信号；具有低内部阻抗的nMOS第一驱动晶体管(Q6)，其连接在地面与所述输出端之间并且其栅极连接到所述输入端；以及pMOS第二驱动晶体管(Q5)，其连接在电源端与所述输出端之间并且其栅极经由双极晶体管(Q2)连接到所述输入端，所述双极晶体管被安排成共基极并且由电容耦合电路(C2、Q1、R2)在其射极上进行电流控制。
2. 根据权利要求1所述的驱动器，其中，所述nMOS第一 驱动晶体管(Q6)的内部阻抗小于1 ohm，优选地小于0.5 ohm。
3. 根据前面任一权利要求所述的驱动器，其中，所述电容耦 合电路包括连接到所述输入端的电容(C2)、连接到所述双极晶 体管的射极的第一电阻(R2)，以及在所述电阻与所述电容之间 串行连接的构成二极管的装置(Ql)。
4. 根据前面权利要求之一所述的驱动器，还包括第二电阻 (R3)，该笫二电阻连接在所述双极晶体管(Q2)的集电极与所述电源端之间并且与所述双极晶体管构成电平转换器级以及跟随 器级(Q3、 Q4)，该跟随器级连接在所述电平转换器级与所述 pMOS第二驱动晶体管的栅极之间。
5. 根据前面权利要求之一所述的驱动器，还包括连接在所述 nMOS第 一 驱动晶体管的栅极与所述输入端之间的第 一放大电路(AMP1 )，和连接在所述输入端与所述电容耦合电路之间的第二 放大电路(AMP2 )。
6. 根据前面权利要求之一所述的驱动器，还包括连接在所述 输入端与所述nMOS第一驱动晶体管的栅极之间的相移电路(Rl、Cl、 Dl )。
7. 根据前面权利要求之一所述的驱动器，还包括其输入连接 到所述输入端的附加放大电路(IC2A)和附加nMOS晶体管(Q7)， 该附加nMOS晶体管连接在地面与安排成共基极的所述双极晶体 管的集电极之间并且其栅极连接到所述附加放大电路的输出。
8. 对根据权利要求l-7之一所述的驱动器的应用，所述驱动 器用于驱动用于内燃机的火花点火的高压射频生成器的晶体管。
9. 对根据权利要求1-7之一所述的驱动器的应用，所述驱动 器用于驱动用于生成等离子的高压射频生成器的晶体管。
全文摘要
本发明涉及一种用于驱动高压晶体管的驱动器，其包括输入端(IN)，用于接收逻辑控制信号；输出端(OUT)，用于递送高压MOS晶体管的输出控制信号；具有低内部阻抗的nMOS第一驱动晶体管(Q6)，其连接在地面与所述输出端之间并且其栅极连接到所述输入端；以及pMOS第二驱动晶体管(Q5)，其连接在电源端与所述输出端之间并且其栅极经由双极晶体管(Q2)连接到所述输入端，所述双极晶体管被安排成共基极并且由电容耦合电路(C2、Q1、R2)在其射极上进行电流控制。
文档编号H03K3/57GK101238640SQ200680028757
公开日2008年8月6日 申请日期2006年5月12日 优先权日2005年7月6日
发明者A·阿涅雷, C·努瓦尔 申请人:雷诺股份公司