用于驱动半导体开关装置的装置和方法与流程

背景技术：

计算系统已经为现代社会的进步做出了重大贡献，并且在许多应用中被利用以获得有利的结果。众多装置(诸如台式个人计算机(pc)、膝上型pc、平板电脑、上网本、智能电话、服务器等)在娱乐、教育、商业和科学等大多数领域中辅助提高了生产率并降低了通信和分析数据的成本。计算装置的一个常见方面是用于高速通信、电源和许多其他应用程序的高速半导体开关装置。

半导体装置的快速开关可能在组件级别和系统级别上施加挑战。高电压和电流的快速上升和下降可能导致电磁干扰(emi)和/或电磁兼容性(emc)问题。快速切换还可以与电路中的寄生元件相互作用并产生不希望的效果。因此，一直需要用于高速半导体开关装置的改进的驱动器电路。

技术实现要素：

通过参考以下描述和附图可以最好地理解本技术，所述描述和附图用于说明针对半导体开关装置的驱动器的本技术的实施例。

在一些方面，可以开关大电压或电流的用于高速半导体开关装置的驱动器可以包括多个开关和从单个电源电位操作的控制器。可以在内部逐步降低电源电位以产生相同极性的较低电压。开关可以配置为将电容器充电到电源电压和内部产生的较低电压之间的差。驱动器的输出可以提供产生的较低电压以接通半导体开关装置，并且提供电源和内部产生的较低电压之间的差分电压的反极性以关断半导体开关装置。

在一个实施例中，驱动器可以包括电压调节器，其被配置为从电源电压产生第一驱动电压，其中第一驱动电压小于或等于电源电压。驱动控制器可以被配置为提供电源电压和第一驱动电压之间的差作为第二驱动电压。驱动器的存储元件可以配置为存储第二驱动电压。驱动控制器还可以被配置为响应于控制信号的第一状态在驱动器的输出处提供第一驱动电压，并且响应于控制信号的第二状态在驱动器的输出处提供第二驱动电压。

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

附图说明

本技术的实施例通过示例性而非限制性的方式在附图中示出，并且其中相同的附图标记指代类似的元件，并且其中：

图1示出了如本技术的方面的驱动器。

图2示出了如本技术的方面的驱动器。

图3a和图3b示出了如本技术的方面的开关装置驱动方法。

具体实施方式

现在将详细参考本技术的实施例，其示例在附图中示出。虽然将结合这些实施例描述本技术，但是应当理解，它们并不旨在将本发明限制于这些实施例。相反，本发明旨在覆盖替代、修改和等同物，其可以包括在由所附权利要求限定的本发明的范围内。此外，在本技术的以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本技术的透彻理解。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本技术。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件和电路，以免不必要地模糊本技术的方面。

下面本技术的一些实施例是如对一个或更多个电子装置内的数据的操作的例程、模块、逻辑块和其他符号表示来呈现的。描述和表示是本领域技术人员用来最有效地将他们工作的实质传达给本领域其他技术人员的手段。例程、模块、逻辑块等在本文通常被设想为导致期望结果的自洽的过程或指令序列。这些过程包括物理量的物理操纵。通常，尽管不是必须的，这些物理操纵采用能够在电子装置中存储、传输、比较和以其他方式操纵的电信号或磁信号的形式。出于方便的原因，并且参考共同使用，参考本技术的实施例，这些信号被称为数据、位、值、元素、符号、字符、项、数字、字符串等。

然而，应当记住，所有这些术语都应被解释为参考物理操纵和数量，并且仅仅是方便的标签，并且将如本领域常用的术语进一步解释。除非从以下讨论中明确指出，否则应当理解，通过对本技术的讨论，利用诸如“接收”等术语的讨论指的是电子装置(诸如操纵和转换数据的电子计算装置)的动作和过程。数据被表示为电子装置的开关、逻辑电路、寄存器、存储器等内的物理(例如，电子)量，并且被转换成类似地表示为电子装置内的物理量的其他数据。

在本申请中，反意连接词的使用旨在包括连接。使用明确或不定冠词并不是为了表示基数。特别地，提及“该”对象或“一个”对象也旨在表示可能的多个这样的对象之一。还应理解，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，不应视为限制。

参照图1，示出了如本技术的方面的驱动器。驱动器可以包括电压调节器105、存储元件110和驱动控制器115。电压调节器105可以被配置为从电源电压(vcc)125产生第一驱动电压(vgg)120，其中第一驱动器电压120小于或等于电源电压(vcc)125。

驱动控制器115可以被配置为在驱动器的输出130处提供第一驱动电压(vgg)120，并且响应于控制信号140的第一状态，在电源电压(vcc)125和第一驱动电压(vgg)120之间的差作为第二驱动电压(vrev)135提供到存储元件110。驱动控制器115还可以被配置为响应于控制信号140的第二状态，在驱动器的输出130处提供第二驱动电压(vrev)135的反极性。

在一个实施方案中，电压调节器105可以被配置为维持第一驱动电压(vgg)120的大致恒定值。在另一实现中，电压调节器105可以被配置为维持第二驱动电压(vrev)135的大致恒定值。驱动器可以可选地包括从电压调节器105耦合到第二驱动电压(vgg)120的滤波器元件145。

在一个实施方式中，驱动控制器115可以包括第一开关元件150、第二开关元件155、第三开关元件160和控制器逻辑165。第一开关元件150可以耦合在电源电压(vcc)125和存储元件110之间。第二开关元件155可以耦合在第一驱动电压(vgg)120和驱动器的输出130之间。第三开关元件160可以耦合在存储元件110和驱动器的接地电位之间。控制器逻辑165可以被配置为在控制信号140的第一状态下闭合第一和第二开关元件150、155，并断开第三开关元件160。控制器逻辑165还可以被配置为在控制信号140的第二状态下断开第一和第二开关元件150、155，并闭合第三开关元件160。在一个实现中，控制信号140可以是脉冲宽度调制(pwm)信号。

在一些方面，驱动器可以被配置为驱动开关装置195。驱动器的输出130可以耦合到开关装置195的控制端子。在一个实现中，开关装置195可以是宽带间隙(wbg)功率半导体。在另一个实现中，开关装置195可以是高电子迁移率晶体管(hemt)。在另一个实现中，开关装置195可以是氮化镓(gan)金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。在另一个实现中，开关装置195可以是硅(si)mosfet。在又一实现中，开关装置195可以是绝缘栅双极晶体管(igbt)。驱动器可以被配置为当控制信号处于第一状态(例如，高电压)时将第一驱动电压(例如，正电压vgg)提供给开关装置195的控制端子，并且当控制信号处于第二状态(例如，低电压)时将第二驱动电压(例如，负电压vrev135)的反极性提供给开关装置195的控制端子。

在一个示例中，当控制信号140处于高状态时，控制逻辑165可以使第一和第二开关元件150、155闭合(即接通)并且第三开关元件160断开(即关闭)。当第一和第二开关元件150、155闭合时，第一开关元件150将存储元件110的第一端子耦合到电源电压(vcc)125，并且第二开关元件155将第一驱动电压(vgg)120耦合到驱动器的输出130处以及耦合到存储元件110的第二端子。电源电压(vcc)125存在于存储元件110的第一端子处，并且第一驱动电压(vgg)120存在于第二端子处，存储元件110可以被充电到第二驱动电压(vrev)135。此外，当控制信号140很高时，驱动器的输出130可以将正极性电源电压(vgg)120提供给开关装置195的控制栅极。

当控制信号140从高状态切换到低状态时，控制器逻辑165可以使第一和第二开关元件150、155断开(即，关闭)，并且在短时间之后使第三开关元件160闭合(即开启)。在第一和第二开关元件150、155断开并且第三开关元件160闭合之间的小延迟可以防止交叉传导。当第一和第二开关元件150、155断开并且第三开关元件160闭合时，存储元件110的第一端子耦合到接地电位，并且存储元件110的第二端子耦合到驱动器的输出130。结果，当控制信号140为低时，驱动器的输出130可以向开关装置195的控制栅极提供负(即反向)极性第二驱动电压(vrev)135。输出到开关装置195的控制栅极的负极性驱动电压可以提供开关装置195的快速关闭。当控制信号140从低状态切换到高状态时，控制器逻辑165可以引起第三开关元件160断开，并且短时间后第一和第二开关元件150、155闭合。

驱动控制器115可以可选地包括充电电路170，其被配置为将存储元件110预充电到第一驱动电压(vgg)。充电电路170可以包括电流源175和第四开关元件180。电流源175可以耦合到存储元件110。第四开关元件180可以耦合到驱动器的输出130。控制器逻辑165还可以被配置为在启动或暂停操作模式下断开第一、第二和第三开关元件150-160，并闭合第四开关元件180。控制器逻辑165还可以被配置为在正常操作期间禁用电流源175并断开第四开关元件180。

在一个示例中，如果电源电压(vcc)125低于预定操作水平(例如，启动模式)，则第一、第二和第三开关元件150-160可以断开(即，关闭)并且第四开关元件180可以闭合。电流源175可以将存储元件110充电到第二驱动电压。此后，当电源电压(vcc)125在预定操作电平内时，驱动器可以如上所述操作。

在一个实现中，电压调节器105和驱动控制器115可以是单独的电路，或者可以集成在一起。在一个实现中，第一、第二和第三开关元件150-160和控制器逻辑165可以在集成电路(ic)中单片制造。在另一实现中，第一、第二和第三开关元件150-160可与控制器逻辑165共同封装。在此实现中，可制造第一、第二和第三开关元件150-160及控制逻辑165在单独的管芯上，然后封装在一个共同的封装中。在又一实现中，第一、第二和第三开关元件150-160可以是外部耦合到控制逻辑165的单独组件。在一个实现中，存储元件110可以外部耦合到ic，或者外部耦合到共同封装控制器逻辑165以及第一、第二和第三开关元件150-160。如果包括滤波器元件145，则滤波器元件145也可以外部耦合到ic，或者外部耦合到共同封装控制器逻辑165以及第一、第二和第三开关元件150-160。

通常，wbg功率半导体、hemt、ganmosfet、simosfet、igbt等可用于高频功率转换电路、rf前端发射器等。为了减少开关损耗并增加操作频率，这些装置需要实现极快的开启和关闭速度。上述驱动器可以在控制信号的第一状态期间提供正电源电压，并且向wbg功率半导体，hemt、ganmosfet、simosfet、igbt等的控制栅极提供第二驱动信号的反极性，因此，开关装置可以非常快速地开关大电压或电流，同时降低emi和/或emc以及电路中的其他有害影响。

参照图2，示出了如本技术的方面的驱动器。驱动器可以包括电压调节器205、存储元件210和驱动控制器215。电压调节器205可以被配置为从电源电压(vcc)225产生第一驱动电压(vgg)220，其中第一驱动器电压(vgg)220小于或等于电源电压(vcc)225。

驱动控制器215可以被配置为在驱动器的输出230处提供第一驱动电压(vgg)220，并且响应于控制信号240的第一状态，将电源电压(vcc)225和第一驱动电压(vgg)220之间的差作为第二驱动电压(vrev)235提供到存储元件。响应于控制信号240的第二状态，驱动控制器215还可以被配置为在驱动器的输出230处提供第二驱动电压(vrev)235的反极性。

存储元件可以被配置为存储第二驱动电压(vrev)235。在一个实现中，存储元件可以是被配置为存储第二驱动电压(vrev)的第一电容器210。在一个实现中，电压调节器205可以被配置为维持第一驱动电压(vgg)220的大致恒定值。在另一实现中，电压调节器205可以被配置为维持第二驱动电压(vrev)235的大致恒定值。驱动器可以可选地包括从电压调节器205耦合到第二驱动电压220的滤波器元件。在一个实现中，滤波器元件可以是第二电容器245。

在一个实现中，驱动控制器215可以包括第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和控制器逻辑。在一个实现中，第一和第二开关元件可以是第一和第二p型金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)250、255，第三开关元件可以是第一n型mosfet260，并且控制器逻辑可以是反相器265。第一p型mosfet250可以包括耦合到电源电压(vcc)225的源极，耦合到第一电容器210的漏极，以及耦合到反相器265的输出的栅极。第二p型mosfet255可以包括耦合到第一驱动电压(vgg)220的源极，耦合到驱动器的输出230的漏极，以及耦合到反相器265的输出的栅极。第一n型mosfet260可以包括耦合到第一电容器210的漏极，耦合到驱动器的接地电位的源极，以及耦合到反相器265的输出的栅极。

在一些方面，驱动器可以被配置为驱动半导体开关装置295。开关装置295可以是wbg功率半导体、hemt、ganmosfet、simosfet、igbt或类似装置。驱动器可以被配置为当控制信号240处于第一状态(例如，高电压)时将第一驱动电压(例如，正电压vgg)提供给开关装置295的控制端子，并且当控制信号240处于第二状态(例如，低电压)时将第二驱动电压(例如，负电压vrev)的反极性提供开关装置295的控制端子。在一个实现中，第一电容器210的电容可以远大于半导体开关装置295的内部栅极-源极电容。此外，电容器210可以耦合在驱动器的输出230和第一开关元件250之间使得在半导体开关装置295的关闭间隔期间可以快速补充半导体开关装置295的开启间隔期间的电荷损失。

在一个示例中，反相器265可以被配置为将第一和第二p型mosfet250、255偏置为开启(例如，导通)，并且当控制信号240为高时将n型mosfet260偏置为关闭。反相器265还可以被配置为偏置第一和p型mosfet250、255为关闭，并且当控制信号240为低时将n型mosfet260偏置为开启(例如，导通)。在一个实现中，控制信号240可以是脉冲宽度调制(pwm)信号。

当第一和第二p型mosfet250、255开启(例如，导通)并且第一n型mosfet260关闭时，第一p型mosfet250将第一电容器210的第一端子耦合到电源电压(vcc)225并且第二p型mosfet255将第一驱动电压(vgg)220耦合到驱动器的输出230并耦合到第一电容器210的第二端子。当电源电压(vcc)225存在于第一电容器210的第一端子处且第一驱动电压(vgg)220存在于第二端子处时，第一电容器210可被充电至第二驱动电压(vrev)235。此外，当控制信号为高时，驱动器的输出230可以将正极性电源电压(vgg)220提供给半导体开关装置295的控制栅极。

当控制信号240从高状态切换到低状态时，反相器265可以使第一和第二p型mosfet250、255关闭并且使第一n型mosfet260开启(例如，导通)。当第一和第二p型mosfet250、255关闭并且第一n型mosfet260开启时，第一电容器210的第一端子耦合到接地电位，并且第二端子耦合到驱动器的输出230。结果，当控制信号240为低时，驱动器的输出230可以向半导体开关装置295的控制栅极提供负(即反向)极性第二驱动电压(vrev)235。输出到半导体开关装置295的控制栅极的负极性驱动电压可以提供半导体开关装置295的快速关闭。

驱动控制器215可以可选地包括充电电路270，其被配置为将第一电容器210预充电到第一驱动电压(vgg)。可选地，第一电阻器275可以耦合在第二p型mosfet255的漏极和驱动器的输出230之间。第二电阻器280可以耦合在第一电容器210的第二端子和驱动器的输出230之间。电压钳285可以耦合在驱动器的输出230和接地电位之间。可以添加小电阻器275、280，电压钳285和其他部件，以更精确地控制驱动器的开关特性和/或更精确地控制反向偏置栅极驱动。

在一个实现中，电压调节器205和驱动控制器215可以是单独的电路，或者可以集成在一起。在一个实现中，p和n型mosfet250-260和反相器265可以在ic中单片制造。在另一个实现中，p和n型mosfet250-260可以与反相器265共同封装。在这样的实现中，mosfet250-260和反相器265可以在单独的管芯上制造，并且然后封装在共同封装中。在又一实现中，mosfet250-260可为外部耦合到反相器265的单独组件。在一个实现中，第一电容器210可外部耦合到ic，或外部耦合到共同封装的反相器265和mosfet250-260。如果包括第二电容器245，则第二电容器245也可以外部耦合到ic，或者外部耦合到共同封装反相器265和mosfet250-260。

参照图3，示出了如本技术的方面的开关装置驱动方法。该方法可以包括在305处在供电端子处接收电源电压(vcc)。在310处，可以在输入处接收控制信号。

在315处，可以将电源电压(vcc)逐步降低到第一驱动电压(vgg)。在320处，可以基于电源电压(vcc)和第一驱动电压(vgg)之间的电位差产生第二驱动电压(vrev)。在一个实现中，响应于控制信号的第一状态，可以通过将电源电压(vcc)耦合到存储元件的第一端子并且将第一驱动电压(vgg)耦合到存储元件的第二端子来产生第二驱动电压(vrev)。

在325处，可以响应于控制信号的第一状态输出第一驱动电压(vgg)，并且响应于控制信号的第二状态，可以输出第二驱动电压(vrev)的反极性。在一个实现中，输出第一驱动电压可以包括响应于控制信号的第一状态将第一驱动电压(vgg)耦合到输出。响应于控制信号的第二状态，第二驱动电压(vrev)的反极性可以由存储元件的第二端子输出到输出，并且存储元件的第一端子输出到接地端子。

此外，在330处，当电源电压(vcc)在操作电平内时，可以启用开关装置驱动方法。在335处，如果电源电压(vcc)低于操作电平，则开关装置驱动方法可以被禁用。

此外，在340处，在启用开关装置驱动方法之前，可以利用第二驱动电压对存储元件充电。当控制信号处于第二状态时，存储元件也可以用第二驱动电压充电，超过预定的时间量，在345处。

在一些方面，驱动方法有利地提供正栅极电压以开启开关半导体设备，以及负栅极电压以关闭开关半导体设备。此外，驱动方法有利地从单个电源电位产生正和负栅极电压。

已经出于说明和描述的目的呈现了本技术的特定实施例的前述描述。它们并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式，并且显然如上述教导可以进行许多修改和变化。选择和描述实施例是为了最好地解释本技术的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够最好地利用本技术和具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等同物限定。