[发明专利]传输输入信号的带有底部电位移位器的控制电路及其相关方法

说明书

技术领域

本发明描述了一种具有电位移位器的控制电路及其相关方法，用于将输入信号从控制逻辑电路传输到一个驱动器。功率电子系统中需要此类控制电路来控制单个开关或桥式电路等功率半导体开关。这种桥式电路已知的有单相、双相或三相桥式电路，其中单相的所谓“半桥”是许多功率电子电路的基本元件。在半桥电路中有两个功率开关：第一个被称为顶部开关，第二个被称为底部开关，这两个开关串联在一起。

背景技术

此类半桥通常具有与直流中间回路的连接。该半桥的输出端、典型地为交流电压连接端在大多数情况下与一个负载相连。控制电路通常由多个部分电路或功能块组成。控制信号在第一个部分电路、即控制逻辑电路中被提供，再通过其它的元件传送到驱动电路和最终的各个功率开关的控制输入端。

当中间回路的电压较高时，例如高于100V，控制逻辑电路通常与驱动电路电位隔离，因为相应的功率开关处于不同的电位，从而很难有效实现电压隔离。这种隔离至少对于顶部开关是有效的，而在更高功率时也对底部开关有效，因为地电位可能在开关切换时受到严重影响。这类隔离例如可以通过脉冲变换器、光电耦合器及光波导(电流隔离)或借助HVIC(高压集成电路)的集成电路技术来实现。其中最后一种实现方式由于多个优点，如更小的体积、更低的成本和更长的使用寿命，越来越多地被应用。同时，HVIC还可以集成击穿电压高于或等于中间回路电压的高压元件，这种高压元件可在开关回路中用于信号电平转换，如用在所谓的电位移位器中。通常，为此采用了一个侧面的高压MOSFET。

这里描述的电位移位器是控制电路的一部分，最好用集成电路来实现。它用于将信号从一个具有规定基准电位的电路部分传送到暂时具有更高或更低的基准电位的另一个电路部分，或者反方向传送。这种电路结构被用于功率半导体的集成和电位隔离的控制。

已知有两种基本的隔离技术用于形成HVIC中的电位移位器。一种是SOI(绝缘体上硅)技术，另一种是pn绝缘技术(结隔离)。SOI技术提供了元器件和元器件组的介电隔离，但是目前只能达到800V耐压。SOI衬底晶圆比标准衬底更为昂贵，但是它的成本却通过一系列由介电隔离产生的技术优点以及显著的工艺简化得到了补偿。在pn绝缘技术中，截止电压被反向偏置的pn结所吸收。这种技术目前可以达到1200V耐压。而生产却很复杂，因此成本很高。此外还存在技术问题，例如在高于125℃工作温度的较高温度下存在的漏电流和自锁效应，以及在快速动态过程时的地电位受到的严重影响等。

根据目前的现有技术，在集成控制电路中，仅仅已知了用于对顶部驱动器的控制逻辑电路的控制信号进行传输的电位移位器。这是必须的，因为顶部驱动器不同于底部驱动器，在相位上处于较高的基准电压。根据现有技术，顶部驱动器的控制侧的信号传输通过脉冲(动态)传输和差分传输来实现，即由要传输的信号可以产生控制侧的开、关脉冲，它们通过各自的电位移位器传输到顶部驱动器。这提高了传输安全性，降低了对电路功率的要求。已知有不同的集成电位移位器的拓扑结构。最简单的拓扑结构由一个带有相应阻隔能力的HV晶体管和一个电阻组成，它们相互串联连接。当信号被给到HV晶体管的栅极上时，将该晶体管接通。从而产生的横穿电流经过移位电位器，引起所述电阻上的电压降，这一电压降可以作为信号由分析电路所获取。

在DE 10152930 A1中公开了一种改进的电位移位器拓扑结构，其中控制信号通过n个同样类型的、级联的已知电位移位器经由n-1个中间电位逐步传输。这样，就可以使用只具有整个电位移位器所要求的阻隔能力的1/n的部分。如果提供了带有所要求的阻隔能力的晶体管，则电位移位器的阻隔能力可以提高n倍。

没有提前公开的DE 102006037336公开了一种电位移位器，它由n个与HV晶体管串联连接的串联电路来实现。这种拓扑结构相对于DE10152930A1具有降低了功率消耗和电路开销的优点。它还具有较小的空间需求，从而进一步降低了成本。

所有已知的拓扑结构有一个共同点，即在对电位移位器的补偿构造中，也可以从具有高基准电位的一个电路部分向具有低基准电位的另一个电路部分传输信号。这一特性可以被用于从顶部驱动器向控制逻辑电路进行反向信号传输。