高效率绝缘隔离SiC MOSFET栅驱动电路制造技术

本发明专利技术公开了一种高效率绝缘隔离SiC MOSFET栅驱动电路，该电路包括：高精度输入信号接收电路、数字控制电路、调制发送电路、隔离电路、高共模瞬态抑制差分信号接收电路、高效率输出驱动电路、发送端低压产生电路、接收端低压产生电路和芯片状态监测电路。本发明专利技术所提供的高效率绝缘隔离SiC MOSFET栅驱动电路，首先，采用高压电容绝缘隔离技术，可实现高耐压的前提下，提高信号处理速度；其次，可以根据负载大小和输入控制脉冲的频率自适应调整驱动电流，从而最大程度上提高驱动电路的电源效率；另外，采用高精度输入信号接收电路，提高信号输入可靠性。本发明专利技术可以广泛应用于驱动各类高压SiC MOSFET和IGBT器件。

【技术实现步骤摘要】
高效率绝缘隔离SiCMOSFET栅驱动电路
本专利技术涉及一种高效率绝缘隔离SiCMOSFET栅驱动电路，属于集成电路

技术介绍
在智能电网、移动通信以及新能源汽车等新兴产业的牵引下，电力电子应用系统要求进一步提高系统的效率、小型化和增加功能，特别要求系统装备在尺寸、质量、功率和效率之间的权衡，比如服务器电源管理、电池充电器和太阳能电场的微逆变器。随着Si基超结MOSFET和绝缘栅双极晶体管(IGBT)的出现和应用普及，硅器件由于其本身物理特性的限制，已经开始不适用于一些高压、高温、高效率及高功率密度的应用场合。与Si材料相比，SiC材料较高的热导率决定了其高电流密度的特性，较高的禁带宽度又决定了SiC器件的高击穿场强和高工作温度。尤其在SiCMOSFET的开发与应用方面，与相同功率等级的SiMOSFET相比，SiCMOSFET导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。由于SiCMOSFET器件特性与传统的SiMOSFET有较大差别，SiCMOSFET驱动电路的性能对于整机系统起着至关重要的影响。基于SiC器件的新一代电力电子整机系统对高压栅驱动芯片的驱动速度、智能化提出了更高的需求，从而进一步提高整机可靠性，并降低整机系统设计复杂度。相比于SiMOSFET，SiCMOSFET的寄生电容更小，两者相差超过十倍，因此SiCMOSFET对驱动电路的寄生参数更敏感。另一方面，SiCMOSFET的驱动电压范围通常为-5V～+25V，而传统的SiMOSFET的驱动电压范围为-30V～+30V。因此，SiCMOSFET与传统的SiMOSFET相比，安全阈值更小，驱动电路的一个电压尖峰很可能就会击穿栅源之间氧化层，这也是驱动电路的输出控制电平需要精心设计。高压栅驱动芯片用于满足CPU控制器输出接口提供的小功率电平信号和大功率输出器件栅驱动所需要高压大电流信号之间转换驱动的需求。由于发送端电路和接收端电路之间的衬底电位存在很大的电压差，高、低压电路之间必须进行电气隔离。由于功率半导体器件的应用场景存在很大差异，高、低电压区最大值之间存在的压差VH可以从40V跨度到6500V。VH大小直接决定了芯片内部的电气隔离等级，而在芯片内部实现不同等级的电气隔离功能模块，所需要采用的电路器件技术和成本质量等级存在较大差异。为实现超过3000V的超高压电气隔离，需要采用绝缘隔离技术将高低压信号处理电路在物理空间上隔离开。此外，现有的半桥栅驱动芯片当被设计定型之后，其高/低侧输出控制信号的输出驱动能力将被固化。在实际应用中，为防止输出电流对负载功率开关的栅端造成损坏，通常在高/低侧输出端串接一个电阻，以抑制栅端电压过冲影响。当栅端等效电容较大时，串接保护电阻需要比较小，反之需要较大串接保护电阻。而比较大的串接保护电阻会带来2个问题，一是电阻上的开关损坏变大，降低驱动电路的效率；二是增加了驱动延时，最终降低系统开关频率。因此，为提高整体驱动电路的效率，很有必要提供一种可根据功率开关管的栅电容大小自动调节驱动电流大小的高效率输出驱动电路。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对SiCMOSFET器件的驱动应用需求，提供一种基于绝缘隔离技术并且具有高效率输出驱动特性的的高压绝缘隔离栅驱动电路。本专利技术提供的高效率绝缘隔离SiCMOSFET栅驱动电路包括：输入信号接收电路、数字控制电路、调制发送电路、隔离电路、高共模瞬态抑制差分信号接收电路、输出驱动电路、发送端低压产生电路、接收端低压产生电路和芯片状态监测电路，其中，输入信号接收电路、数字控制电路、调制发送电路、发送端低压产生电路和芯片状态监测电路构成发送端电路，高共模瞬态抑制差分信号接收电路、输出驱动电路和接收端低压产生电路构成接收端电路；发送端电路内部所有电路的地电位均连接到发送端地电压Vgnd1，接收端电路内部所有电路的地电位均连接到接收端地电压Vgnd2；所述发送端低压产生电路和接收端低压产生电路采用相同的低压产生电路实现；发送端低压产生电路采用发送端电源电压VCC，产生用于发送端电路内部各组成电路所需要的参考电压和偏置电压；接收端低压产生电路采用接收端电源电压VDD，产生用于接收端电路内部各组成电路所需要的参考电压和偏置电压；所述隔离电路包括正端发送电容Ctp、负端发送电容Ctn、正端接收电容Crp和负端接收电容Crn；所述输入信号接收电路接收外部的低电平逻辑输入数据DI，DI经处理转换为高电平为VCC的输入数据Din，输出给数字控制电路；数字控制电路根据芯片状态监测电路提供的欠压保护信号UVLO、过温保护信号OTP、过流保护信号OCP的状态将输入数据Din处理成一组差分输入数据DxP和DxN；差分输入数据DxP和DxN进入调制发送电路，得到差分发送数据TxP和TxN；差分发送数据TxP和TxN分别连接到正端发送电容Ctp和负端发送电容Ctn的左端；所述正端发送电容Ctp和负端发送电容Ctn的右端，分别连接到正端接收电容Crp和负端接收电容Crn的左端；所述正端接收电容Crp和负端接收电容Crn的右端分别输出差分接收数据RxP和RxN进入高共模瞬态抑制差分信号接收电路，经处理得到接收输出数据Dout；接收输出数据Dout最后进入输出驱动电路，产生具有大驱动电流的输出驱动信号DG；所述正端发送电容Ctp、负端发送电容Ctn、正端接收电容Crp和负端接收电容Crn大小相等，并均为超高耐压隔离电容。具体的，所述输入信号接收电路包括：输入ESD保护电路、正端电平判别电路、负端电平判别电路、RS触发器电路和判别电平产生电路；其中，输入ESD保护电路的输出Vin同时连接到正端电平判别电路和负端电平判别电路的信号输入端，正端电平判别电路的正端参考电平连接到判别电平产生电路的正端参考电平输出口Vrp，负端电平判别电路的负端参考电平连接到判别电平产生电路的负端参考电平输出口Vrn；正端电平判别电路的电平判别输出口Dinp和负端电平判别电路的电平判别输出口Dinn，分别连接到RS触发器电路的两个信号输入端，RS触发器电路的输出端即为输入信号接收电路的数据输出口；判别电平产生电路根据输入参考电平Vr分别产生正端参考电平Vrp和负端参考电平Vrn。具体的，所述高共模瞬态抑制差分信号接收电路包括：差分输入接收电路、X级前后级联的共模可调放大电路、高灵敏度共模可调放大电路、输出整形电路和共模自适应调整电路；其中，差分输入接收电路首先接收到差分接收数据正端接收信号RxP和负端接收信号RxN，经滤波处理得到正端输入信号Vip和负端输入信号Vin；正端输入信号Vip和负端输入信号Vin进入X级前后级联的共模可调放大电路中的第一级共模可调放大电路，最终得到第X级共模可调放大电路的正端输出信号VoXp和负端输出信号VoXn；正端输出信号VoXp和负端输出信号VoXn分别连接高灵敏度共模可调放大电路的正输入端和负输入端，高灵敏度共模可调放大电路输出一组差分输出信号，包括正端输出信号VoXp和负端输出信号VoXn；输出整形电路根据正端输出信号V本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高效率绝缘隔离SiC MOSFET栅驱动电路，其特征是，包括：输入信号接收电路(1)、数字控制电路(2)、调制发送电路(5)、隔离电路(9)、高共模瞬态抑制差分信号接收电路(6)、输出驱动电路(7)、发送端低压产生电路(3)、接收端低压产生电路(8)和芯片状态监测电路(4)，其中，输入信号接收电路(1)、数字控制电路(2)、调制发送电路(5)、发送端低压产生电路(3)和芯片状态监测电路(4)构成发送端电路，高共模瞬态抑制差分信号接收电路(6)、输出驱动电路(7)和接收端低压产生电路(8)构成接收端电路；发送端电路内部所有电路的地电位均连接到发送端地电压Vgnd1，接收端电路内部所有电路的地电位均连接到接收端地电压Vgnd2；所述发送端低压产生电路(3)和接收端低压产生电路(8)采用相同的低压产生电路实现；发送端低压产生电路(3)采用发送端电源电压VCC，产生用于发送端电路内部各组成电路所需要的参考电压和偏置电压；接收端低压产生电路(8)采用接收端电源电压VDD，产生用于接收端电路内部各组成电路所需要的参考电压和偏置电压；所述隔离电路(9)包括正端发送电容Ctp、负端发送电容Ctn、正端接收电容Crp和负端接收电容Crn；/n所述输入信号接收电路(1)接收外部的低电平逻辑输入数据DI，DI经处理转换为高电平为VCC的输入数据Din，输出给数字控制电路(2)；数字控制电路(2)根据芯片状态监测电路(4)提供的欠压保护信号UVLO、过温保护信号OTP、过流保护信号OCP的状态将输入数据Din处理成一组差分输入数据DxP和DxN；差分输入数据DxP和DxN进入调制发送电路(5)，得到差分发送数据TxP和TxN；差分发送数据TxP和TxN分别连接到正端发送电容Ctp和负端发送电容Ctn的左端；所述正端发送电容Ctp和负端发送电容Ctn的右端，分别连接到正端接收电容Crp和负端接收电容Crn的左端；所述正端接收电容Crp和负端接收电容Crn的右端分别输出差分接收数据RxP和RxN进入高共模瞬态抑制差分信号接收电路(6)，经处理得到接收输出数据Dout；接收输出数据Dout最后进入输出驱动电路(7)，产生具有大驱动电流的输出驱动信号DG；所述正端发送电容Ctp、负端发送电容Ctn、正端接收电容Crp和负端接收电容Crn大小相等，并均为超高耐压隔离电容。/n...

【技术特征摘要】
1.高效率绝缘隔离SiCMOSFET栅驱动电路，其特征是，包括：输入信号接收电路(1)、数字控制电路(2)、调制发送电路(5)、隔离电路(9)、高共模瞬态抑制差分信号接收电路(6)、输出驱动电路(7)、发送端低压产生电路(3)、接收端低压产生电路(8)和芯片状态监测电路(4)，其中，输入信号接收电路(1)、数字控制电路(2)、调制发送电路(5)、发送端低压产生电路(3)和芯片状态监测电路(4)构成发送端电路，高共模瞬态抑制差分信号接收电路(6)、输出驱动电路(7)和接收端低压产生电路(8)构成接收端电路；发送端电路内部所有电路的地电位均连接到发送端地电压Vgnd1，接收端电路内部所有电路的地电位均连接到接收端地电压Vgnd2；所述发送端低压产生电路(3)和接收端低压产生电路(8)采用相同的低压产生电路实现；发送端低压产生电路(3)采用发送端电源电压VCC，产生用于发送端电路内部各组成电路所需要的参考电压和偏置电压；接收端低压产生电路(8)采用接收端电源电压VDD，产生用于接收端电路内部各组成电路所需要的参考电压和偏置电压；所述隔离电路(9)包括正端发送电容Ctp、负端发送电容Ctn、正端接收电容Crp和负端接收电容Crn；
所述输入信号接收电路(1)接收外部的低电平逻辑输入数据DI，DI经处理转换为高电平为VCC的输入数据Din，输出给数字控制电路(2)；数字控制电路(2)根据芯片状态监测电路(4)提供的欠压保护信号UVLO、过温保护信号OTP、过流保护信号OCP的状态将输入数据Din处理成一组差分输入数据DxP和DxN；差分输入数据DxP和DxN进入调制发送电路(5)，得到差分发送数据TxP和TxN；差分发送数据TxP和TxN分别连接到正端发送电容Ctp和负端发送电容Ctn的左端；所述正端发送电容Ctp和负端发送电容Ctn的右端，分别连接到正端接收电容Crp和负端接收电容Crn的左端；所述正端接收电容Crp和负端接收电容Crn的右端分别输出差分接收数据RxP和RxN进入高共模瞬态抑制差分信号接收电路(6)，经处理得到接收输出数据Dout；接收输出数据Dout最后进入输出驱动电路(7)，产生具有大驱动电流的输出驱动信号DG；所述正端发送电容Ctp、负端发送电容Ctn、正端接收电容Crp和负端接收电容Crn大小相等，并均为超高耐压隔离电容。


2.根据权利要求1所述的高效率绝缘隔离SiCMOSFET栅驱动电路，其特征是，所述输入信号接收电路(1)包括：输入ESD保护电路(101)、正端电平判别电路(103)、负端电平判别电路(104)、RS触发器电路(105)和判别电平产生电路(102)；其中，输入ESD保护电路(101)的输出Vin同时连接到正端电平判别电路(103)和负端电平判别电路(104)的信号输入端，正端电平判别电路(103)的正端参考电平连接到判别电平产生电路(102)的正端参考电平输出口Vrp，负端电平判别电路(104)的负端参考电平连接到判别电平产生电路(102)的负端参考电平输出口Vrn；正端电平判别电路(103)的电平判别输出口Dinp和负端电平判别电路(104)的电平判别输出口Dinn，分别连接到RS触发器电路(105)的两个信号输入端，RS触发器电路(105)的输出端即为输入信号接收电路(1)的数据输出口；判别电平产生电路(102)根据输入参考电平Vr分别产生正端参考电平Vrp和负端参考电平Vrn。


3.根据权利要求1所述的高效率绝缘隔离SiCMOSFET栅驱动电路，其特征是，所述高共模瞬态抑制差分信号接收电路(6)包括：差分输入接收电路(601)、X级前后级联的共模可调放大电路(602)、高灵敏度共模可调放大电路(603)、输出整形电路(604)和共模自适应调整电路(605)；其中，差分输入接收电路(601)首先接收到差分接收数据正端接收信号RxP和负端接收信号RxN，经滤波处理得到正端输入信号Vip和负端输入信号Vin；正端输入信号Vip和负端输入信号Vin进入X级前后级联的共模可调放大电路(602)中的第一级共模可调放大电路，最终得到第X级共模可调放大电路的正端输出信号VoXp和负端输出信号VoXn；正端输出信号VoXp和负端输出信号VoXn分别连接高灵敏度共模可调放大电路(603)的正输入端和负输入端，高灵敏度共模可调放大电路(603)输出一组差分输出信号，包括正端输出信号VoXp和负端输出信号VoXn；输出整形电路(604)根据正端输出信号VoXp和负端输出信号VoXn的大小，经处理得到最终的数据输出，即接收输出数据Dout；所述共模自适应调整电路(605)根据电源和地电压信号的变化，自适应产生用于各级放大电路的共模调整信号C11，C12，C21，C22，…，CX1，CX2，共模自适应调整电路(605)产生的共模调整信号C11和C12分别连接到第一级共模可调放大电路的共模调整信号输入端；共模调整信号C21和C22分别连接到第二级共模可调放大电路的共模调整信号输入端；以此类推，共模调整信号CX1和CX2分别连接到第X级共模可调放大电路的共模调整信号输入端；共模自适应调整电路(605)还产生共模调整信号CN1和CN2，分别连接到高灵敏度共模可调放大电路(603)的共模调整信号输入端；其中，X为大于1的正整数，N为大于X的正整数。


4.根据权利要求3所述的高效率绝缘隔离SiCMOSFET栅驱动电路，其特征是，所述差分输入接收电路(601)包括：正端隔离电容C51、正端接地电阻R51、正端耦合电容C52、正端共模电阻R53、负端隔离电容C53、负端接地电阻R52、负端耦合电容C54、负端共模电阻R54和接收共模产生电路(6011)；所述正端隔离电容C51的左端和负端隔离电容C53的左端分别连接到正端接收信号RxP和负端接收信号RxN；正端隔离电容C51的右端连接到正端接地电阻R51的下端和正端耦合电容C52的左端；负端隔离电容C53的右端连接到负端接地电阻R52的下端和负端耦合电容C54的左端；正端耦合电容C52的右端连接到正端共模电阻R53的上端，并作为正端输入信号Vip的输出端；负端耦合电容C54的右端连接到负端共模电阻R54的下端，并作为负端输入信号Vin的输出端；正端共模电阻R53的下端和负端共模电阻R54的上端相连，并同时连接到接收共模产生电路(6011)的共模输出端Vicm；所述接收共模产生电路(6011)根据输入共模Vcm的变化，动态跟踪调整共模输出端Vicm的大小，减小输入共模的影响。


5.根据权利要求4所述的高效率绝缘隔离SiCMOSFET栅驱动电路，其特征是，所述接收共模产生电路(6011)包括：NMOS管M60、NMOS管M61、PMOS管M62、NMOS管M63、PMOS管M64、PMOS管M65、NMOS管M66、NMOS管M67、PMOS管M68、NMOS管M69、PMOS管M610、NMOS管M611、PMOS管M612、NMOS管M613、NMOS管M614、PMOS管M615和电阻R61，以及第一施密特触发器(600)；
所述NMOS管M60的栅极连接到输入共模电压Vcm；NMOS管M60的漏极连接到PMOS管M62的漏极和栅极、以及NMOS管M63的栅极；NMOS管M61的栅极连接到输入共模控制信号Vctrl；NMOS管M61的漏极和NMOS管M63的漏极相连，并连接到第一施密特触发器(600)的输入端；第一施密特触发器(600)的输出端同时连接到PMOS管M610栅极、NMOS管M611栅极、PMOS管M612栅极和NMOS管M613栅极；PMOS管M610的漏极和NMOS管M611的漏极相连，还连接到NMOS管M614的栅极；PMOS管M612的漏极和NMOS管M613的漏极相连，还连接到PMOS管M615的栅极；NMOS管M614的源极和PMOS管M615的源极相连，还作为所述共模输出端Vicm的输出端口；NMOS管M614的漏极连接到高输入共模电平Vcmh，PMOS管M615的漏极连接到低输入共模电平Vcml；NMOS管M613的源极连接到电阻R61上端；NMOS管M60源极、NMOS管M61源极、NMOS管M611源极和电阻R61下端同时连接到接收端地电压Vgnd2；PMOS管M62的源极、NMOS管M63的源极和PMOS管M610的源极同时连接到接收端电源电压VDD。


6.根据权利要求3所述的高效率绝缘隔离SiCMOSFET栅驱动电路，其特征是，所述高灵敏度共模可调放大电路(603)为前后两级全差分放大电路，包括互相连接的前级共模可调放大电路和后级的差动差分放大电路；所述前级共模可调放大电路的正输入端即高灵敏度共模可调放大电路(603)的正输入端，前级共模可调放大电路的负输入端即高灵敏度共模可调放大电路(603)的负输入端；所述差动差分放大电路的正输出端VoNp即高灵敏度共模可调放大电路(603)的正输出端，差动差分放大电路的负输出端...

【专利技术属性】
技术研发人员：周德金，徐宏，陈珍海，黄伟，马君健，
申请(专利权)人：无锡英诺赛思科技有限公司，清华大学无锡应用技术研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32