具有傳輸電路的操控電路和運(yùn)行方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有傳輸電路的操控電路和運(yùn)行方法，用于越過勢(shì)壘將信號(hào)從具有第一基礎(chǔ)電位的第一電位側(cè)傳輸至具有第二基礎(chǔ)電位的第二電位側(cè)，具備帶第一與第二電位側(cè)之間的電容耦合的電容式起作用的傳輸裝置。傳輸裝置具有正好一個(gè)或者兩個(gè)分支，它們本身分別具有第一和第二子分支，第一與第二電位側(cè)之間的電容耦合在每個(gè)子分支中都通過串聯(lián)多個(gè)第一高壓電容器及第二高壓電容器來構(gòu)造，高壓電容器又與第二電位側(cè)上配屬的電容器一起形成各一個(gè)串聯(lián)電路；在相應(yīng)的傳輸分支內(nèi)部，信號(hào)直接接在第一子分支上且經(jīng)由第二反相器接在第二子分支上；在兩個(gè)分支中，輸入端上的信號(hào)直接接在ON-傳輸分支上且經(jīng)由第一反相器接在OFF-傳輸分支上。
【專利說明】具有傳輸電路的操控電路和運(yùn)行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有用于越過勢(shì)壘傳輸信號(hào)的傳輸電路的操控電路，如其在功率半導(dǎo)體模塊的驅(qū)動(dòng)器電路中應(yīng)用的那樣。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有技術(shù)尤其由DE102010018997A1形成。該專利文獻(xiàn)公開了一種具有傳輸電路的操控電路，用于將信號(hào)從具有第一基礎(chǔ)電位的第一電位側(cè)傳輸?shù)街辽僖粋€(gè)具有相應(yīng)第二基礎(chǔ)電位的第二電位側(cè)，該操控電路具備帶有初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的電容耦合的傳輸器。在這種情況下，傳輸器具有兩個(gè)分支，即具有一個(gè)ON-傳輸分支和一個(gè)OFF-傳輸分支,它們本身分別具有第一子分支和第二子分支，其中，初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的電容耦合在每個(gè)子分支中都通過高壓電容器來實(shí)施。依據(jù)該發(fā)明的方法，在每個(gè)傳輸分支中，那里的信號(hào)產(chǎn)生流過第一子分支的第一 HV電容器的電流和流過第二子分支的第二 HV電容器的反向電流。相應(yīng)的電流在次級(jí)側(cè)上被探測(cè)到并且被輸送給兩個(gè)子分支的共同的評(píng)估電路，評(píng)估電路在次級(jí)側(cè)重構(gòu)初級(jí)側(cè)的輸入信號(hào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的任務(wù)在于，通過如下方式改進(jìn)公知的傳輸電路，S卩，使得信號(hào)也能夠越過如下勢(shì)魚傳輸，其中第一電位側(cè)與第二電位側(cè)之間的電壓差高于單個(gè)高壓電容器的介電強(qiáng)度，以及提出一種用于運(yùn)行這種傳輸電路的方法。
[0004]根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)通過具有權(quán)利要求1特征的功率電子系統(tǒng)并且通過具有權(quán)利要求12特征的方法來解決。優(yōu)選的實(shí)施方式在相應(yīng)的從屬權(quán)利要求中加以描述。
[0005]本發(fā)明包括一種具有傳輸電路的操控電路，用于越過勢(shì)壘將信號(hào)從具有第一基礎(chǔ)電位的第一電位側(cè)傳輸至具有第二基礎(chǔ)電位的第二電位側(cè)，操控電路具備帶有初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的電容耦合的電容式起作用的傳輸裝置，其中，傳輸裝置具有正好一個(gè)或者兩個(gè)分支，因此僅具有一個(gè)ON-傳輸分支或者具有一個(gè)ON-傳輸分支和一個(gè)OFF-傳輸分支,它們本身分別具有第一和第二子分支，其中，第一電位側(cè)與第二電位側(cè)之間的電容耦合在每個(gè)子分支中都通過串聯(lián)多個(gè)第一高壓電容器及第二高壓電容器來構(gòu)造，所述高壓電容器又與第二電位側(cè)上配屬的電容器一起形成各一個(gè)串聯(lián)電路，其中，在相應(yīng)的傳輸分支內(nèi)部，信號(hào)直接接在第一子分支上并且經(jīng)由第二反相器接在第二子分支上，并且其中，在兩個(gè)分支中，輸入端上的信號(hào)直接接在ON-傳輸分支上并且經(jīng)由第一反相器接在OFF-傳輸分支上。
[0006]表明有利的是，與分支的第一高壓電容器和第二高壓電容器并聯(lián)地布置有具有與第一高壓電容器和第二高壓電容器相同數(shù)量的對(duì)稱電容器的另一電容分壓器，其中，對(duì)稱電容器的每個(gè)中間電位都與配屬的高壓電容器借助于齊納二極管補(bǔ)償電路連接。
[0007]此外，已經(jīng)表明有利的是，齊納二極管補(bǔ)償電路構(gòu)造為各兩個(gè)由兩個(gè)齊納二極管組成的串聯(lián)電路，齊納二極管以其陽極或者陰極彼此連接，并且其陰極或者陽極一方面與對(duì)稱電容器的相應(yīng)的中間電位連接而另一方面與高壓電容器的配屬的中間電位連接。[0008]也可以有利的是，對(duì)稱電容器的串聯(lián)電路與第一電位側(cè)和第二電位側(cè)的供電電位連接。
[0009]尤其有利的是，與每個(gè)對(duì)稱電容器都并聯(lián)有一個(gè)限壓電路。
[0010]此外，可以有利的是，具有上下接頭的限壓電路由其他齊納二極管的串聯(lián)電路和并聯(lián)的限壓晶體管組成，限壓晶體管的源極與限壓電路的下接頭連接，限壓晶體管的漏極與限壓電路的上接頭連接，并且限壓晶體管的柵極一方面與串聯(lián)電路的第一齊納二極管的陰極連接，而另一方面經(jīng)由電阻與串聯(lián)電路的第一齊納二極管的陽極連接。
[0011]原則上，尤其當(dāng)從具有第一基礎(chǔ)電位的第一電位側(cè)至具有第二基礎(chǔ)電位的第二電位側(cè)的總電位差大于高壓電容器的介電強(qiáng)度，并且同時(shí)或者替選地，該總電位差大于第二電位側(cè)至基底的絕緣強(qiáng)度的時(shí)候，對(duì)于操控電路來說表明有利的是，相應(yīng)的部件分別以單片集成的方式布置在多個(gè)彼此電絕緣的基底上。此外，在這種情況下還有利的是，齊納二極管補(bǔ)償電路的中點(diǎn)與基礎(chǔ)電位導(dǎo)電連接。
[0012]這可以有利地設(shè)計(jì)，方法是:相應(yīng)的部件布置在兩個(gè)基底上，并且在這種情況下，第一電位側(cè)的部件布置在第一基底上，而第二電位側(cè)的部件布置在第二基底上。替選地，相應(yīng)的部件布置在多于兩個(gè)基底上，并且在這種情況下，第一電位側(cè)的部件布置在第一基底上，而第二電位側(cè)的部件布置在第二基底上，以及高壓電容器和配屬的限壓電路布置在相應(yīng)的自身的其他基底上。在這種情況下特別優(yōu)選的是，相應(yīng)的基底布置在多芯片模塊內(nèi)部。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的方法包括:在第一電位側(cè)上，傳輸裝置的輸入端上的輸入信號(hào)直接接到ON-傳輸分支上，其中，在每個(gè)傳輸分支中，在那里的信號(hào)產(chǎn)生流過第一子分支的第一高壓電容器的電流和流過第二子分支的第二高壓電容器的反向電流，相應(yīng)的電流在次級(jí)側(cè)上被探測(cè)到并且被輸送給兩個(gè)子分支的共同的評(píng)估電路，評(píng)估電路在第二電位側(cè)上重構(gòu)輸入信號(hào)，并且其中，限壓電路與齊納二極管補(bǔ)償電路相結(jié)合來限定相應(yīng)的高壓電容器上的分壓降。
[0014]在這種情況下也可以有利的是，傳輸裝置的輸入端上的初級(jí)側(cè)輸入信號(hào)直接接到ON-傳輸分支上，并且以逆反的方式接到OFF-傳輸分支上。
[0015]可理解的是，本發(fā)明不同的設(shè)計(jì)方案可以單個(gè)地或者以任意組合來實(shí)現(xiàn)，以便達(dá)到改善的目的。尤其是，前面提到和闡述的特征不僅能夠以所給出的組合而且能夠以其他的組合或者以單獨(dú)的方式來使用，而沒有離開本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]對(duì)本發(fā)明的有利的細(xì)節(jié)和特征的其它闡述由下面對(duì)根據(jù)本發(fā)明的功率半導(dǎo)體電路或者其部分的在圖1至圖7中所示的實(shí)施例的描述得知。
[0017]圖1示出帶有單片集成的操控電路的方框圖，
[0018]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的單片集成的操控電路的一種實(shí)施方式的方框圖，
[0019]圖3示出具有兩個(gè)從第一電位側(cè)至第二電位側(cè)的分支的傳輸裝置的基本電路，
[0020]圖4示出具有僅一個(gè)從第二電位側(cè)至第一電位側(cè)的分支的傳輸裝置的基本電路，
[0021]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的方法的模擬結(jié)果，
[0022]圖6示出一種從第一電位側(cè)至第二電位側(cè)的傳輸裝置的基本電路，該傳輸裝置帶有中間電位的有源限壓裝置，[0023]圖7示出傳輸裝置的另一種實(shí)施方式。
【具體實(shí)施方式】
[0024]原則上，針對(duì)從第一電位側(cè)至第二電位側(cè)的一個(gè)或兩個(gè)分支的傳輸裝置的所有主要部分都是相同的。因此，在實(shí)施例中存在如下結(jié)論:即使當(dāng)相應(yīng)的示例示出不同的實(shí)施方式的時(shí)候，從第一電位側(cè)至第二電位側(cè)(即例如從初級(jí)側(cè)至次級(jí)側(cè))的傳輸以相同的方式也適用于相反的方向(即從次級(jí)側(cè)至初級(jí)側(cè))。
[0025]為了闡述本發(fā)明，圖1示出帶有根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的單片集成操控電路10的方框圖，以及能夠由此操控的半橋電路70。該半橋電路70具有TOP功率開關(guān)72和BOT功率開關(guān)74，它們?cè)谶@里分別構(gòu)造為帶有反向并聯(lián)的二極管的IGBT。BOT功率開關(guān)74處于BOT次級(jí)側(cè)的參考電位gnd_bot上,該參考電位gnd_bot例如在具有小線路電感的應(yīng)用中近似等于操控電路10的初級(jí)側(cè)的參考電位gnd_pri。
[0026]操控電路10自身具有帶有脈沖發(fā)生電路22的操控邏輯20、前向傳輸器30 (即從初級(jí)側(cè)至次級(jí)側(cè)的傳輸裝置)和后置的TOP次級(jí)側(cè)40以及第二前向傳輸器50和后置的BOT次級(jí)側(cè)60,其中,各自的前向傳輸器構(gòu)造為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電容式傳輸器。
[0027]圖2示出根據(jù)本發(fā)明的單片集成操控電路的相關(guān)部分的方框圖，該操控電路帶有前向傳輸器80,該前向傳輸器80具有ON-傳輸分支82、原則上相同的OFF-傳輸分支83和后置于傳輸分支的共同的信號(hào)評(píng)估電路84。待傳輸?shù)男盘?hào)被直接接到ON-傳輸分支82上，而借助于前置的第一反相器INVl接到OFF-傳輸分支83上。因此，前向傳輸器在操控電路內(nèi)部將信號(hào)從具有第一電位gnd_pir的初級(jí)側(cè)傳輸?shù)骄哂械诙娢籫nd_sek的次級(jí)側(cè)上。
[0028]同樣示出了后向傳輸器90 (即從次級(jí)側(cè)至初級(jí)側(cè)的傳輸裝置)，其中，后向傳輸器原則上與前向傳輸器互補(bǔ)地構(gòu)建。后向傳輸器例如用于將傳感器信號(hào)或者狀態(tài)信號(hào)從次級(jí)側(cè)傳輸至初級(jí)側(cè)。后向傳輸`器90類似于前向傳輸器80由ON傳輸分支92組成,然而不具有OFF傳輸分支93。同樣,該后向傳輸器具有在一些設(shè)計(jì)方案中并非強(qiáng)制性需要的、后置的信號(hào)評(píng)估電路94。為了在初級(jí)側(cè)評(píng)估一些在TOP次級(jí)側(cè)上產(chǎn)生的信號(hào)，不一定需要的是，將該信號(hào)以完整長(zhǎng)度傳輸至初級(jí)側(cè)，在這里短傳輸脈沖或者一個(gè)重復(fù)序列的短傳輸脈沖就可能足夠了。因此，在這里放棄了 OFF傳輸分支。
[0029]圖3不出前向傳輸器80的基本電路,其由第一反相器INV1、0N-傳輸分支82和相同的OFF-傳輸分支83以及信號(hào)評(píng)估電路84組成。因?yàn)閮蓚€(gè)傳輸分支相同地構(gòu)建，所以僅詳細(xì)示出了 ON傳輸分支，其中，下面普遍的結(jié)論適用于兩個(gè)傳輸分支。
[0030]相應(yīng)的傳輸分支由初級(jí)側(cè)的電路部分、次級(jí)側(cè)的電路部分和各η個(gè)串聯(lián)的高壓電容器Clx、C3x (在這里x=l…n，并且下面也被稱為HV電容器)組成，高壓電容器使得兩個(gè)電路部分連接起來。初級(jí)側(cè)的電路部分具有兩個(gè)橋式電路Ml、M2和M3、M4，其帶有各一個(gè)η溝道類型的晶體管Ml、M3和各一個(gè)P溝道類型的晶體管M2、M4。η溝道晶體管(Ml、M3)的源極接頭連接到初級(jí)側(cè)的參考電位gnd_pri上，而P溝道晶體管M2、M4的源極接頭連接到初級(jí)側(cè)的供電電壓vdd_pri上。第一橋式電路晶體管M1、M2的柵極接頭直接與前向傳輸器80的輸入端IN連接。第二橋式電路晶體管M3、M4的柵極接頭與第二反相器INV2的輸出端連接，第二反相器INV2的輸入端與前向傳輸器80的輸入端IN連接。HV電容器Clx的串聯(lián)電路一方面與第一橋式電路M1、M2的輸出端al連接,而另一方面與次級(jí)側(cè)的第一節(jié)點(diǎn)a2連接。第一橋式電路Ml、M2、HV電容器Clx的串聯(lián)電路和次級(jí)側(cè)的第一節(jié)點(diǎn)a2與其布線一起構(gòu)造出第一子分支。第二子分支原則上相同地構(gòu)建，僅在次級(jí)側(cè)的第二節(jié)點(diǎn)b2的布線上不同于第一子分支。
[0031]次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)a2、b2的布線以如下方式構(gòu)造并且與第一比較器COMPl連接。其它電容器C2、C4的第一接頭與配屬的節(jié)點(diǎn)a2、b2連接，而第二接頭與次級(jí)側(cè)的供電電壓vdd_hs連接。次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)a2連接到第一比較器COMPl的反向輸入端IN-上。次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)b2連接到第一比較器COMPl的非反向輸入端IN+上。電阻Rl、R2或者R3、R4形成次級(jí)側(cè)的供電電壓vdd_hs與次級(jí)側(cè)的參考電位gnd_hs之間的各一個(gè)分壓器，所述分壓器的中點(diǎn)與配屬的節(jié)點(diǎn)a2、b2連接。與分壓器并聯(lián)有由兩個(gè)齊納二極管Zl、Z2或Z3、TA和一個(gè)電阻R5或R6組成的串聯(lián)電路，并且該相應(yīng)的電路的中點(diǎn)又與節(jié)點(diǎn)連接。第一比較器COMPl的輸出端0UT_0N同時(shí)是對(duì)應(yīng)的ON-傳輸分支82的輸出端，并且與信號(hào)評(píng)估電路84的配屬的輸入端連接。
[0032]有利地，通過如下方式來選擇HV電容器Clx、C3x的串聯(lián)電路的電容與相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)a2、b2的次級(jí)側(cè)布線的配屬的其它電容器C2、C4的電容之間的關(guān)系，即，其電容為=Clges/C2=C3ges/C4〈〈l，其中，相應(yīng)串聯(lián)電路的總電容Clges、C3ges通過如下公式得知:
[0033]Clges= (Cl 1*C12*...*Cln) / (Cl 1+C12+...+Cln)，或者
[0034]C3ges=(C31*C32*...*C3n)/(C31+C32+...+C3n)。
[0035]根據(jù)本發(fā)明，串聯(lián)的HV電容器Clx、C3x的擊穿電壓的總和大于次級(jí)側(cè)的供電電壓vdd_sek與初級(jí)側(cè)的參考電位gnd_pri之間最大出現(xiàn)的電位差。只要在根據(jù)本發(fā)明的傳輸方法的范圍內(nèi)在次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)a2、b2上(即初級(jí)側(cè)參考電位和次級(jí)側(cè)參考電位與供電電壓之間)不出現(xiàn)電壓瞬變，那么傳輸分支就處于穩(wěn)態(tài)。于是，次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)a2、b2上相對(duì)于次級(jí)側(cè)的參考電位gnd_sek的電位通過分壓器Rl、R2或R3、R4并且通過次級(jí)側(cè)的供電電壓vdd_sek的高度來確定。分壓器通過如下方式構(gòu)造，即，與次級(jí)側(cè)的第二節(jié)點(diǎn)b2上的電位相t匕，在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下次級(jí)側(cè)的第一節(jié)點(diǎn)a2上的電位稍微較高，例如為200mV。由此確保了，第一比較器COMPl在穩(wěn)定平衡狀態(tài)下通過如下方式被操控，即，其輸出端0UT_0N保持在LOW狀態(tài)“AUS”上。
[0036]此外，分壓器R1、R2和R3、R4通過如下方式設(shè)計(jì)，即，次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)a2、b2上的電位大致對(duì)應(yīng)于次級(jí)側(cè)的供電電壓VdcLsek的一半。在節(jié)點(diǎn)a2、b2上出現(xiàn)電壓瞬變的情況下，次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)a2、b2的布線的其它結(jié)構(gòu)元件Zl、R5、Z2或者Z3、TA、R6將可能的電位斬波分別限定到一個(gè)上限值和一個(gè)下限值上。在此，分別通過如下方式來選擇齊納二極管ZL...Z4的齊納電壓，即，次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)a2、b2上的電位可以僅占據(jù)確定的電壓窗口內(nèi)部的值。
[0037]在初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)的參考電位之間的正電壓在時(shí)間上快速變化時(shí)，由于功率半橋的開關(guān)過程而導(dǎo)致:根據(jù)電容分壓原理，電壓分配在相應(yīng)的傳輸分支的串聯(lián)電容器上。在節(jié)點(diǎn)Xlx (其中x=l...n-l)上產(chǎn)生η-l個(gè)中間電位。在適當(dāng)?shù)卮_定電容器Clx和C2或者C3x和C4的規(guī)格的情況下，變化著的電壓近似均勻地分配在節(jié)點(diǎn)Xlx和a2或者X3x和b2上，從而在每個(gè)電容器上都存在壓降，該壓降大致相應(yīng)于vdcLsek與gnd_pri之間的當(dāng)前存在電壓的l/η份。電壓的由電容器產(chǎn)生的分量也在時(shí)間上的電壓變化衰減之后得以維持，這是因?yàn)殡娙萜鞅３种鎯?chǔ)的電荷。
[0038]通過HV電容器Clx、C3x上的電荷移動(dòng)，經(jīng)由傳輸分支的根據(jù)本發(fā)明的信號(hào)傳輸不依賴于如下情況來實(shí)現(xiàn)，即，與初級(jí)側(cè)的參考電位gnd_pri相比，次級(jí)側(cè)的參考電位gnd_sek是否在靜態(tài)情況下更高、相等或者更低。
[0039]依據(jù)根據(jù)本發(fā)明的方法,在前向ON-傳輸分支82的輸入端IN上的輸入信號(hào)直接接到ON-傳輸分支82的輸入端上，并且反向地接到OFF-傳輸分支83的輸入端上。由于ON-傳輸分支82和OFF-傳輸分支83的實(shí)施方式相同,所以下面僅詳細(xì)描述ON-傳輸分支的功能。為了闡述，圖5示出針對(duì)具有兩個(gè)串聯(lián)的HV電容器(也就是說n=2)的實(shí)施方式的配屬的模擬結(jié)果(在TOP次級(jí)側(cè)的正參考電位gnd_sek=600V的情況下)。在此，初級(jí)側(cè)的參考電位gnd_pri示例性地處于地電位(OV)上。選擇矩形信號(hào)來作為信號(hào)形狀。分別示出了輸入端IN上的信號(hào)、節(jié)點(diǎn)X11、X31和a2、b2上的電位分布以及ON傳輸分支的輸出端0UT_ON上的信號(hào)。上述內(nèi)容以相同的方式適用于帶有互換正負(fù)輸入信號(hào)邊沿的OFF傳輸分支。
[0040]在輸入端IN上的正信號(hào)邊沿的情況下，接通第一 η溝道晶體管Ml并且斷開第一 P溝道晶體管M2。對(duì)應(yīng)地，初級(jí)側(cè)的第一節(jié)點(diǎn)al上的電位瞬間從接近初級(jí)側(cè)的供電電壓vdd_pri的電壓下降至接近地電位gnd_pri的電壓。在該電壓變化期間，根據(jù)普遍公式IC=C*dUC/dt，電流ICl經(jīng)由HV電容器C11、C12從次級(jí)側(cè)流至初級(jí)側(cè)，并且將次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)a2上的電位根據(jù)電容分壓原理向下拉低例如400mV(參見圖5，第I段)。同時(shí)，通過第二反相器INV2將負(fù)信號(hào)邊沿接到第二橋式電路M3、M4上，由此斷開第二 η溝道晶體管M3并且接通第二 P溝道晶體管Μ4。由此，初級(jí)側(cè)的第二節(jié)點(diǎn)bl上的電位瞬間從接近地電位gnd_pri的電壓上升至接近初級(jí)側(cè)的供電電壓vdd_pri的電壓。在該電壓變化期間，電流IC3經(jīng)由HV電容器C31、C32從初級(jí)側(cè)流至次級(jí)側(cè)，并且將次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)b2上的電位向上拉高例如400mV (參見圖5，第I段)。通過帶有反向設(shè)置的符號(hào)的這種電位斬波，現(xiàn)在次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)a2上的電位小于次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)b2上的電位，由此前向傳輸器的輸出端0UT_0N具有值HIGH “Ein”。在電壓瞬變結(jié)束之后，次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)上的電位根據(jù)電阻-電容式的節(jié)點(diǎn)阻抗隨著時(shí)間常數(shù)指數(shù)地接近其靜態(tài)值(參見圖5，第II段)。第II段中指數(shù)衰減過程的時(shí)間常數(shù)Ta2或者Tb2綜合了所有的電阻和電容分量，它們參與了對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)a2或b2的電荷反轉(zhuǎn)。一旦在輸入端IN上未出現(xiàn)斷開邊沿，那么自動(dòng)地繼續(xù)放電至基本靜態(tài)(參見圖5，第IV段)。只要放電過程在如下程度上衰減，即次級(jí)側(cè)的第一節(jié)點(diǎn)a2處于比次級(jí)側(cè)的第二節(jié)點(diǎn)b2更高的電位，那么例如在500ns之后再次將傳輸分支的輸出端0UT_0N接到LOW上(參見圖5，第III段)。
[0041 ] 在構(gòu)建初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的電壓時(shí)會(huì)在節(jié)點(diǎn)Xl1、X31上出現(xiàn)300V的中間電位。在模擬中，針對(duì)上升沿和下降沿，由節(jié)點(diǎn)al、bl上的開關(guān)信號(hào)邊沿引起的電位偏移為大約5V0
[0042]信號(hào)在輸入端IN上的負(fù)邊沿并沒有導(dǎo)致ON-傳輸分支82的輸出信號(hào)(參見圖5，第V段)，具體而言，該負(fù)邊沿產(chǎn)生了 OFF-傳輸分支83上未示出的對(duì)應(yīng)信號(hào)。如果應(yīng)該還未達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，那么負(fù)信號(hào)邊沿直接導(dǎo)致第一比較器COMPl的輸出端0UT_0N上的LOW電平(參見圖5，第VI段)。同樣適用的是，輸入端IN上的信號(hào)的正邊沿總是導(dǎo)致ON-傳輸分支82的輸出端0UT_0N上的HIGH電平，而不依賴于如下情況，即次級(jí)側(cè)的節(jié)點(diǎn)a2、b2上的穩(wěn)定平衡狀態(tài)是否已出現(xiàn)。因此只要相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)還未存在，輸入端IN上的每個(gè)邊沿都總是導(dǎo)致輸出端0UT_0N上的該相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)。因此，也可以傳輸高頻率的脈沖序列。
[0043]其它的模擬顯不了，信號(hào)傳輸通過HV電容器上的電荷移動(dòng)不依賴于如下情況來進(jìn)行，即，與初級(jí)側(cè)的參考電位gnd_pri相比，次級(jí)側(cè)的參考電位gnd_sek是否在靜態(tài)情況下更高、相等或者更低。在功率開關(guān)的開關(guān)過程中(其中同時(shí)或者前后相距短暫地?cái)嚅_或者接通BOT開關(guān)并且接通或者斷開TOP開關(guān))，半橋輸出端上的電壓以每個(gè)時(shí)間單元的快速變化(電壓瞬變)而上升或下降，例如lOkV/μ S。同時(shí)，次級(jí)側(cè)的參考電位gnd_sek上升相同的量。在該階段期間，經(jīng)由傳輸分支82、83并因此經(jīng)由整個(gè)前向傳輸器80的信號(hào)傳輸是不可行的并且也是不希望的。
[0044]經(jīng)由根據(jù)本發(fā)明的前向傳輸器從初級(jí)側(cè)到次級(jí)側(cè)的信號(hào)傳輸可以總結(jié)如下。在正輸入信號(hào)邊沿的情況下，在ON-傳輸分支82的輸出端0UT_0N上產(chǎn)生確定長(zhǎng)度的正脈沖，其由信號(hào)評(píng)估電路84得到。此后，將前向傳輸器80的輸出端OUT置于接通狀態(tài)(例如HIGH)，該接通狀態(tài)也在信號(hào)結(jié)束之后出現(xiàn)在輸出端0UT_0N上。OFF-傳輸分支83的輸出端0UT_OFF保持在LOW上。在負(fù)輸入信號(hào)邊沿的情況下，在OFF-傳輸分支83的輸出端0UT_0FF上產(chǎn)生確定長(zhǎng)度的正脈沖，其同樣由信號(hào)評(píng)估電路84得到。此后,將前向傳輸器80的輸出端OUT置回原位。ON-傳輸分支82的輸出端0UT_0N保持在LOW上。輸入端IN上的信號(hào)以完整的長(zhǎng)度傳輸并且被轉(zhuǎn)交給TOP次級(jí)側(cè)40。在初級(jí)側(cè)的參考電位gnd_pri與次級(jí)側(cè)的參考電位gnd_sek之間的電壓瞬變很快的時(shí)候,不發(fā)生任何信號(hào)傳輸。傳輸分支的輸出端0UT_0N、0UT_0FF停留在LOW狀態(tài)或者被置回LOW狀態(tài)。前向傳輸器80的輸出端OUT上所存儲(chǔ)的狀態(tài)維持不變。
[0045]為了在前向傳輸器的輸出端上達(dá)到足夠用于可靠探測(cè)的脈沖長(zhǎng)度(例如500ns)，節(jié)點(diǎn)a2和b2上的放電時(shí)間常數(shù)必須足夠大。該放電時(shí)間常數(shù)通過節(jié)點(diǎn)a2和b2上的電阻和電容負(fù)載來確定。為了電路的節(jié)省空間的單片集成，節(jié)點(diǎn)a2和b2的大部分所需要的電容負(fù)載優(yōu)選通過低壓電容器C2和C4來實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)樗鼈兿鄬?duì)于電路的HV電容器具有每個(gè)電容單元小得多的面積需求。同時(shí)，初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的電容式耦合應(yīng)該保持得盡可能低。因此，必須滿足上述條件:Clges/C2=C3ges/C4〈〈l。因?yàn)橐暽a(chǎn)而定地并非傳輸分支的所有串聯(lián)電容器都具有相同的電容值，所以必然得出中間電位節(jié)點(diǎn)Xl I至Xln-1或者X31至X3n-1上的電壓分布不均勻。為了在一個(gè)或多個(gè)HV電容器上避免電壓超出介電強(qiáng)度，設(shè)置有關(guān)于所述電容器的限壓裝置。
[0046]類似于圖3,圖4不出根據(jù)本發(fā)明的后向傳輸器90的基本電路,該后向傳輸器在這里僅構(gòu)造為ON傳輸分支92。附圖標(biāo)記以分別帶有后綴“r”的方式對(duì)應(yīng)于附圖3的附圖標(biāo)記，以便標(biāo)記為反向傳輸。
[0047]圍繞前面提到的限壓電路SPB，根據(jù)圖3的前向傳輸分支的基本電路在根據(jù)圖6的實(shí)施方式中進(jìn)一步得以擴(kuò)展。例如，在這里假設(shè)n=2，也就是說在每個(gè)傳輸分支中串聯(lián)有兩個(gè)HV電容器。中間電位節(jié)點(diǎn)Xll和X31分別通過兩個(gè)反極串聯(lián)的齊納二極管連至共同的節(jié)點(diǎn)Y，節(jié)點(diǎn)Y又形成帶有vdd_pri與vdd_sek之間的對(duì)稱電容器(C5、C6)的另一電容分壓器的中點(diǎn)。此外，傳輸電路包含關(guān)于每個(gè)HV電容器(例如在圖6中為C5和C6)的限壓電路，其中，在這里上限壓電路與次級(jí)側(cè)的工作電壓電位vdcLsek和節(jié)點(diǎn)Y連接，而下限壓電路與節(jié)點(diǎn)Y和初級(jí)側(cè)的工作電壓電位vdd_pri連接。限壓電路相同地構(gòu)建，并且由齊納二極管補(bǔ)償電路組成，該補(bǔ)償電路構(gòu)造為I個(gè)同極齊納二極管Z5y、Z6y (其中y=l...m)的串聯(lián)電路，其中，相應(yīng)最上面的齊納二極管Z5m、Z6m的陰極與限壓電路的上接頭連接，而最下面的齊納二極管Z51、Z61的陽極與限壓電路的下接頭連接。與齊納二極管的串聯(lián)電路并聯(lián)有各一個(gè)限壓晶體管(同樣構(gòu)造為高壓晶體管HV5、HV6)，其中，漏極與相應(yīng)的限壓電路的上接頭連接，而源極與相應(yīng)的限壓電路的下接頭連接。限壓電路通過電阻R5、R6補(bǔ)充完整，該電阻的第一接頭與限壓晶體管HV5、HV6的柵極和最下面的齊納二極管Z51、Z61的陰極連接，而其第二接頭與限壓電路的下接頭連接。相應(yīng)的限壓晶體管HV5、HV6的柵極一方面與串聯(lián)電路的第一齊納二極管Z51或Z61的陰極連接，而另一方面經(jīng)由電阻R5或R6與串聯(lián)電路的第一齊納二極管Z51或Z61的陽極連接。
[0048]根據(jù)圖6的實(shí)施方式中的電路擴(kuò)展部的工作原理如下。HV電容器C5和C6形成初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的另一電容分壓器。在HV電容器C5和C6規(guī)格相同的情況下，在初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)的參考電位之間的正電壓在時(shí)間上快速變化的情況下，在節(jié)點(diǎn)Y上出現(xiàn)初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的半電壓。如果電容式電壓分配在傳輸分支中是如下這樣的，即，在沒有擴(kuò)展布線時(shí)，以齊納二極管Zla2、Zlb2或者Z3a2、Z3b2的齊納電壓絕對(duì)值來不同于節(jié)點(diǎn)Y上電壓的電壓值出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)Xll或者X31上，那么對(duì)應(yīng)的齊納二極管Zla2或Zlb2或者Z3a2或Z3b2超出其齊納電壓，并且節(jié)點(diǎn)Xll或X31與節(jié)點(diǎn)Y之間有補(bǔ)償電流流經(jīng)處于擊穿狀態(tài)的齊納二極管和相應(yīng)另一處于導(dǎo)通狀態(tài)下的齊納二極管。補(bǔ)償電流一直流過，直至Xll或X31與Y之間的電位相互接近，使得齊納二極管鏈Zla2、Zlb2或者Z3a2、Z3b2再次阻斷。如果節(jié)點(diǎn)Y上的電容負(fù)載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)Xll或X31上的電容負(fù)載(也就是說，C5+C6?C11+C12或者C31+C32)，那么在補(bǔ)償過程期間主要出現(xiàn)Xll或者X31上的電位變化。限壓電路相對(duì)于vdd_pri (下電路)和vdd_sek (上電路)限定節(jié)點(diǎn)Y上的電位。如果在補(bǔ)償過程期間HV電容器C5或者C6之一上的電壓上如此地大，即超出I個(gè)串聯(lián)齊納二極管的箝位電壓Uclamp(Uclamp=y*Uz),那么橫向電流開始流過變成低電阻的齊納二極管鏈,該橫向電流導(dǎo)致過壓下降。一部分電流過電阻R5和R6。如果R5或R6上的壓降超出HV5或HV6的閾值電壓，那么就打開限壓晶體管。在HV5或HV6的漏極-源極路徑上出現(xiàn)附加的低電阻的橫向電流路徑。因此，節(jié)點(diǎn)Y可以更簡(jiǎn)單地保持或者以高電流快速地反轉(zhuǎn)電荷。通過這種方式，在節(jié)點(diǎn)Y上的電壓得到限定并且間接通過Zla2、Zlb2或者Z3a2、Z3b2也限定在節(jié)點(diǎn)Xll和X31上的電壓。在此，相應(yīng)的限壓電路的y個(gè)串聯(lián)的齊納二極管的箝位電壓Uclamp必須小于HV電容器C5和C6、Cll和C12、`C13和C32以及限壓晶體管HV5和HV6上的允許電壓。
[0049]圖7示出根據(jù)本發(fā)明的傳輸器的另一實(shí)施方式，利用這種實(shí)施方式可以越過高的勢(shì)魚而傳輸信號(hào)，該勢(shì)魚大于單個(gè)單片集成電路中的介電強(qiáng)度。相應(yīng)的介電強(qiáng)度一方面由集成傳輸電路的擊穿電壓來確定，該擊穿電壓在常規(guī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中由所使用的高壓結(jié)構(gòu)元件(集成高壓晶體管)的擊穿電壓來確定，并且另一方面相應(yīng)的介電強(qiáng)度由初級(jí)側(cè)與次級(jí)側(cè)之間的絕緣介電強(qiáng)度來確定。該絕緣介電強(qiáng)度由半導(dǎo)體工藝確定，并且不可以利用電路技術(shù)上的措施來提高。相反，傳輸電路的介電強(qiáng)度(如上所述)由于在多芯片模塊中串聯(lián)使用η個(gè)高壓結(jié)構(gòu)元件而被提高到η倍的值上。
[0050]因?yàn)樵诮^大多數(shù)情況下絕緣擊穿電壓和可供使用的高壓結(jié)構(gòu)元件的擊穿電壓近似相等，所以當(dāng)η個(gè)高壓結(jié)構(gòu)元件中的每個(gè)都集成在單獨(dú)的基底上時(shí)，整個(gè)傳輸電路的介電強(qiáng)度可以被僅提高η倍值。因此，利用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的600V絕緣方法可以克服更高的電位差。如果例如使用兩個(gè)芯片，那么也可以針對(duì)1200V電壓級(jí)別實(shí)現(xiàn)集成電路布局，在三個(gè)芯片時(shí)實(shí)現(xiàn)針對(duì)最多1800V電壓級(jí)別的集成電路布局并且針對(duì)其他電壓級(jí)別也是類似的。
[0051]在該實(shí)施方式中，前向傳輸器的實(shí)施方式不同于根據(jù)圖3的實(shí)施方式的區(qū)別在于，傳輸器分配到η個(gè)獨(dú)立的芯片上，其中，在每個(gè)芯片上都集成有η個(gè)HV電容器Cl I至Cln或者C31至C3n中的一個(gè)。在芯片I上集成有HV電容器Cll和C31、晶體管Ml至M4以及反相器INV2。必要時(shí)可以在芯片I上集成其他的電路，例如像邏輯組件以及用于BOT開關(guān)的驅(qū)動(dòng)器。第一芯片I的背側(cè)接觸部(操作晶圓“handle wafer”)HWl與初級(jí)側(cè)的參考電位gnd_pri連接。芯片2至n_l包含:各兩個(gè)HV電容器,每個(gè)傳輸分支一個(gè)(傳輸分支像在第一和第二實(shí)施方式中那樣分別與HV電容器Cll至Cln或者C31至C3n連接)；以及相應(yīng)的芯片的齊納二極管Zlax和Zlbx或者Z3ax和Z3bx (其中x=2...n_l)，所述齊納二極管的一個(gè)接頭與節(jié)點(diǎn)Xlx-1或者X3x-1連接，而相應(yīng)的另一接頭與相應(yīng)的芯片的背側(cè)接觸部HWx (其中x=2...n-1)連接。在每種情況下，芯片η都包含HV電容器Cln和C3n、齊納二極管Zlan、Zlbn、Z3an、Z3bn、電容器C2和C4、電阻Rl至R6、齊納二極管Zl至TA以及比較器COMPl。芯片η的背側(cè)接觸部HWn與齊納二極管Zlan或Z3an的各一個(gè)接頭連接。
[0052]在根據(jù)圖6的前向傳輸器的實(shí)施方式中,信號(hào)傳輸利用根據(jù)本發(fā)明的傳輸方法像在根據(jù)圖3和圖5的前面的實(shí)施方式那樣的類似的方式來進(jìn)行。分別反極串聯(lián)的齊納二極管Zlax和Zlbx或Z3ax和Z3bx將相應(yīng)的芯片的背側(cè)接觸部HWx連至相應(yīng)芯片的相應(yīng)中間電位節(jié)點(diǎn)Xlx-1或者X3x_l (其中x=2...n-1)上。
【權(quán)利要求】
1.一種具有傳輸電路的操控電路，所述傳輸電路用于越過勢(shì)壘將信號(hào)從具有第一基礎(chǔ)電位的第一電位側(cè)(Pr1、Sek)傳輸至具有第二基礎(chǔ)電位的第二電位側(cè)(Sek、Pri),所述操控電路具備帶有第一電位側(cè)與第二電位側(cè)之間的電容耦合的電容式起作用的傳輸裝置(80、90)，其中， 所述傳輸裝置(80、90)具有正好一個(gè)或者兩個(gè)分支，因此僅具有一個(gè)ON-傳輸分支(82、92)或者具有一個(gè)ON-傳輸分支(82)和一個(gè)OFF-傳輸分支(83)，它們本身分別具有第一和第二子分支，其中， 所述第一電位側(cè)與第二電位側(cè)之間的電容耦合在每個(gè)子分支中都通過串聯(lián)多個(gè)第一高壓電容器及第二高壓電容器(Clx、C3x,其中x=l...η或者x=lr...nr)來構(gòu)造,所述高壓電容器又與所述第二電位側(cè)上配屬的電容器(C2、C4或者C2r、C4r)一起形成各一個(gè)串聯(lián)電路，其中，在相應(yīng)的傳輸分支(82、83、92)內(nèi)部，所述信號(hào)直接接在第一子分支上并且經(jīng)由第二反相器(INV2、INV2r)接在第二子分支上，并且 其中，在兩個(gè)分支中，輸入端上的信號(hào)(IN)直接接在所述ON-傳輸分支(82)上并且經(jīng)由第一反相器(INVl)接在所述OFF-傳輸分支(83)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的操控電路，其中，與分支的第一高壓電容器和第二高壓電容器(Clx、C3x)并聯(lián)地布置有具有與第一高壓電容器和第二高壓電容器(Clx、C3x)相同數(shù)量的對(duì)稱電容器(C5、C6)的另一電容分壓器，其中，對(duì)稱電容器(C5、C6)的每個(gè)中間電位(Xlx、X3x)都與配屬的高壓電容器(Clx、C3x)借助于齊納二極管補(bǔ)償電路(ZA)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的操控電路，其中，所述齊納二極管補(bǔ)償電路(ZA)構(gòu)造為各兩個(gè)由兩個(gè)齊納二極管(Zlax、Zlbx或Z3ax、Z3bx,其中x=2...η)組成的串聯(lián)電路,所述齊納二極管以其陽極或者陰極彼此連接，并且其陰極或者陽極與所述對(duì)稱電容器(C5、C6)的相應(yīng)的中間電位(Y )和所述高壓電容器(CIX、C3x )的配屬的中間電位(XIX、X3x )連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的操控電路，其中，所述對(duì)稱電容器(C5、C6)的串聯(lián)電路，即所述另一電容分壓器與所述第一電位側(cè)和所述第二電位側(cè)(Pr1、Sek)的供電電位(vdd_sek、vdd_prim)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的操控電路，其中，與所述另一電容分壓器的每個(gè)對(duì)稱電容器(C5、C6 )都并聯(lián)有一個(gè)限壓電路(SPB )。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的操控電路，其中，具有上下接頭的所述限壓電路(SPB)由其他齊納二極管(Z5y、Z6y，其中y=l...m)的串聯(lián)電路和并聯(lián)的限壓晶體管(HV5、HV6)組成，所述限壓晶體管的源極與所述限壓電路(SPB)的下接頭連接，所述限壓晶體管的漏極與所述限壓電路(SPB)的上接頭連接，并且所述限壓晶體管的柵極一方面與所述串聯(lián)電路的第一齊納二極管(Z51、Z61)的陰極連接，而另一方面經(jīng)由電阻與所述串聯(lián)電路的第一齊納二極管的陽極連接。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的操控電路，其中，相應(yīng)的部件以單片集成的方式布置在多個(gè)彼此電絕緣的基底(芯片1...芯片η)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的操控電路，其中，齊納二極管補(bǔ)償電路(ZA)的中點(diǎn)與基礎(chǔ)電位(HWx，其中x=l...η)導(dǎo)電連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的操控電路，其中，相應(yīng)的部件布置在兩個(gè)基底(芯片1、芯片η，其中η=2)上，并且在這種情況下，所述第一電位側(cè)的部件布置在第一基底上，而所述第二電位側(cè)的部件布置在第二基底上。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的操控電路，其中，所述相應(yīng)的部件布置在多于兩個(gè)基底(芯片X，其中χ=1...η)上，并且在這種情況下，所述第一電位側(cè)的部件布置在第一基底上，而所述第二電位側(cè)的部件布置在第二基底上，以及高壓電容器和配屬的限壓電路布置在相應(yīng)自身的其他基底(芯片2...芯片η-l)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10之一所述的操控電路，其中，相應(yīng)的基底(芯片1...芯片η)布置在多芯片模塊內(nèi)部。
12.一種用于運(yùn)行根據(jù)權(quán)利要求1至11所述的操控電路的方法，其中，在第一電位側(cè)上，傳輸裝置(80、90)的輸入端(IN)上的輸入信號(hào)直接接到ON-傳輸分支(82、92)上，其中， 在每個(gè)傳輸分支(82、92)中，在那里的信號(hào)產(chǎn)生流過第一子分支的第一高壓電容器(Clx、Clxr)的電流和流過第二子分支的第二高壓電容器(C3x、C3xr)的反向電流,相應(yīng)的電流在第二電位側(cè)上被探測(cè)到并且被輸送給兩個(gè)子分支的共同的評(píng)估電路(84、94)，所述評(píng)估電路在第二電位側(cè)上重構(gòu)(OUT)第一電位側(cè)的輸入信號(hào)(IN)，并且其中，限壓電路(SPB)與齊納二極管補(bǔ)償電路(ZA)相結(jié)合來限定相應(yīng)的高壓電容器(Xlx、X3x、Xlxr, X3xr)上的分壓降。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于運(yùn)行操控電路的方法，其中，所述傳輸裝置(80、90)的輸入端(IN)上的輸入信號(hào)直接接到ON-傳輸分支(82、92)上，并且以逆反的方式接到OFF-傳輸分支(83) 上。
【文檔編號(hào)】H03K17/689GK103812485SQ201310549758
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2013年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月7日
【發(fā)明者】萊茵哈德·赫策, 馬蒂亞斯·羅斯貝格, 巴斯蒂安·福格勒 申請(qǐng)人:賽米控電子股份有限公司