多级电平位移电路、驱动芯片及功率半导体器件的制作方法

本发明涉及集成电路，特别涉及一种多级电平位移电路、驱动芯片及功率半导体器件。

背景技术：

1、电平位移电路作为连接低压数字控制域与高压功率驱动域的关键模块，其核心功能是将微控制器、数字逻辑电路输出的低电压控制信号，转换为能够驱动功率mosfet、igbt等高压功率器件的高电压信号，直接决定了功率系统的工作效率、可靠性与稳定性。

2、传统交叉耦合电平位移电路凭借结构简单、易于集成的优势，在中低压、低功耗要求不高的场景中得到了广泛应用，其典型结构如图6所示，主要由两个交叉连接的pmos管和两个nmos管组成，两路互补输入信号in和inb分别控制两个nmos管的栅极，输出端out通过反相器连接至交叉耦合节点；该电路依靠正反馈机制实现状态翻转，当输入信号in为低电平、inb为高电平时，用于接收in输入信号的nmos管截止、用于接收输入信号inb的nmos管导通，节点b被拉低使对应的pmos管导通，进而将节点a拉高使对应的pmos管截止，最终输出低电平；反之则输出高电平。

3、但在高电压、高精度、低功耗的现代应用需求下，传统交叉耦合结构的固有缺陷逐渐成为制约系统性能的瓶颈；传统交叉耦合结构为单一结构的电平位移电路，难以承受高电压应力，电压转换范围有限，且输出驱动能力不足，驱动大功率容性负载时必须额外增加多级缓冲电路，提升了系统复杂度与成本。

4、可见，现有技术还有待改进和提高。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种多级电平位移电路，解决了传统交叉耦合电平位移电路采用单一拓扑结构，无法兼顾高压隔离、低功耗运行与高驱动能力的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

3、一种多级电平位移电路，包括一级电平位移单元、二级电平位移单元、三级电平位移单元和输出驱动单元；所述一级电平位移单元用于将接收的外部低压差分输入信号初步抬升为一级高压差分信号，其输出端与所述二级电平位移单元的输入端连接；所述二级电平位移单元用于对接收的一级高压差分信号进行二级抬升与信号整形处理，其输出端与所述三级电平位移单元的输入端连接；所述三级电平位移单元用于对接收的二级差分输出信号进行三级抬升与信号匹配处理，其输出端与所述输出驱动单元的输入端连接；所述输出驱动单元的输出端用于输出高压驱动信号，所述高压驱动信号用于直接控制外部功率管的导通与关断。

4、所述的电路中，所述一级电平位移单元包括第一电源接入部、差分转换部和输入偏置部；所述第一电源接入部的电源端用于接外部高压电源，所述差分转换部的偏置输入端用于连接外部第一偏置电压，所述输入偏置部的偏置输入端用于连接外部第二偏置电压；所述输入偏置部的信号输入端用于接收外部低压差分输入信号；所述差分转换部的输入端分别与所述输入偏置部的输出端以及所述第一电源接入部的输出端连接，所述差分转换部的输出端与所述二级电平位移单元的输入端连接。

5、所述的电路中，所述第一电源接入部包括第一二极管d1、第二二极管d2、第一电阻r1和第二电阻r2；所述差分转换部包括第一pmos管pm1、第二pmos管pm2、第三电阻r3、第四电阻r4、第一nmos管nm1、第二nmos管nm2、第五电阻r5和第六电阻r6；所述输入偏置部包括第三nmos管nm3、第四nmos管nm4和第五nmos管nm5；所述第一二极管d1的阴极、所述第一电阻r1的一端、所述第二二极管d2的阴极、所述第二电阻r2的一端、所述第一pmos管pm1的源极以及所述第二pmos管pm2的源极分别用于连接外部高压电源；所述第一pmos管pm1的漏极与所述第二pmos管pm2的栅极、所述第一二极管d1的阳极、所述第一电阻r1的另一端、所述第三电阻r3的一端共同连接作为所述差分转换部的一个输出端；所述第二pmos管pm2的漏极与所述第一pmos管pm1的栅极、所述第二二极管d2的阳极、所述第二电阻r2的另一端、所述第四电阻r4的一端共同连接作为所述差分转换部的另一个输出端；所述第三电阻r3的另一端与所述第一nmos管nm1的漏极连接，所述第四电阻r4的另一端与所述第二nmos管nm2的漏极连接；所述第一nmos管nm1的栅极与所述第二nmos管nm2的栅极用于连接外部第一偏置电压；所述第一nmos管nm1的源极与所述第五电阻r5的一端连接，所述第二nmos管nm2的源极与所述第六电阻r6的一端连接；所述第五电阻r5的另一端与所述第三nmos管nm3的漏极连接，所述第六电阻r6的另一端与所述第四nmos管nm4的漏极连接；所述第三nmos管nm3的栅极、所述第四nmos管nm4的栅极分别用于接收外部低压差分输入信号；所述第三nmos管nm3的源极、所述第四nmos管nm4的源极共同连接所述第五nmos管nm5的漏极；所述第五nmos管nm5的栅极用于连接外部第二偏置电压；所述第五nmos管nm5的源极接地。

6、所述的电路中，所述二级电平位移单元包括高压偏置部、差分开关部和负载网络部；所述高压偏置部的电源端用于连接外部高压电源，所述高压偏置部的偏置输入端用于连接外部第三偏置电压，所述差分开关部的偏置输入端用于连接外部第四偏置电压；所述差分开关部的控制输入端用于连接所述一级电平位移单元的输出端；所述高压偏置部的输出端与所述差分开关部的公共电源端连接，所述差分开关部的输出端与所述负载网络部的输入端连接；所述负载网络部的输出端用于连接所述三级电平位移单元的输入端。

7、所述的电路中，所述高压偏置部包括第三pmos管pm3；所述差分开关部包括第四pmos管pm4、第五pmos管pm5、第六pmos管pm6、第七pmos管pm7；所述负载网络部包括第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第六nmos管nm6、第七nmos管nm7；所述第三pmos管pm3的源极用于连接外部高压电源；所述第三pmos管pm3的栅极用于连接外部第三偏置电压；所述第三pmos管pm3的漏极分别与所述第四pmos管pm4的源极以及所述第五pmos管pm5的源极连接；所述第四pmos管pm4的栅极、所述第五pmos管pm5的栅极分别用于连接所述一级电平位移单元的输出端；所述第四pmos管pm4的漏极与所述第六pmos管pm6的源极连接，所述第五pmos管pm5的漏极与所述第七pmos管pm7的源极连接；所述第六pmos管pm6的栅极与所述第七pmos管pm7的栅极分别用于连接外部第四偏置电压；所述第六pmos管pm6的漏极、所述第六nmos管nm6的漏极、所述第七nmos管nm7的栅极、所述第八电阻r8的一端共同连接作为所述负载网络部的一个输出端；所述第七pmos管pm7的漏极、所述第七nmos管nm7的漏极、所述第六nmos管nm6的栅极、所述第七电阻r7的一端、所述第九电阻r9的一端共同连接作为所述负载网络部的另一个输出端；所述第八电阻r8的另一端、所述第九电阻r9的另一端、所述第六nmos管nm6的源极、所述第七nmos管nm7的源极分别接地。

8、所述的电路中，所述三级电平位移单元包括第二电源接入部、差分放大部和偏置控制部；所述第二电源接入部的电源端用于连接外部高压电源，所述偏置控制部的偏置输入端用于连接外部第五偏置电压；所述偏置控制部的偏置输入端用于连接外部第五偏置电压；所述差分放大部的偏置输入端和控制输入端分别与所述偏置控制部的输出端以及所述第二电源接入部的输出端对应连接，所述差分放大部的输出端以及所述第二电源接入部的输出端分别与所述输出驱动单元的输入端连接。

9、所述的电路中，所述第二电源接入部包括第十电阻r10、第十一电阻r11、第八pmos管pm8、第九pmos管pm9；所述差分放大部包括第十pmos管pm10、第十一pmos管pm11、第八nmos管nm8、第十nmos管nm10、第十三电阻r13；所述偏置控制部包括第十二电阻r12、第十四电阻r14、第十五电阻r15、第九nmos管nm9；所述第十电阻r10的一端、所述第十一电阻r11的一端、所述第八pmos管pm8的源极、所述第九pmos管pm9的源极分别用于连接外部高压电源；所述第十电阻r10的另一端、所述第八pmos管pm8的漏极、所述第九pmos管pm9的栅极共同连接作为所述第二电源接入部的内部正反馈节点；所述第十一电阻r11的另一端、所述第九pmos管pm9的漏极共同连接作为所述三级电平位移单元的一个输出端；所述第十pmos管pm10的源极与所述第八pmos管pm8的漏极连接，所述第十pmos管pm10的栅极、所述第十一pmos管pm11的栅极以及所述第十二电阻r12的一端分别用于连接外部第五偏置电压；所述第十一pmos管pm11的源极与所述第九pmos管pm9的漏极连接；所述第十pmos管pm10的漏极与所述第八nmos管nm8的漏极连接，所述第十一pmos管pm11的漏极与所述第十三电阻r13的一端连接；所述第八nmos管nm8的栅极、所述第十nmos管nm10的栅极分别与所述二级电平位移单元的输出端连接；所述第十二电阻r12的另一端、所述第十五电阻r15的一端、所述第九nmos管nm9的栅极共同连接；所述第九nmos管nm9的漏极与所述第十四电阻r14的一端连接；所述第十三电阻r13的另一端与所述第十nmos管nm10的漏极、所述第十四电阻r14的另一端共同连接作为三级电平位移单元的另一个输出端；所述第十五电阻r15的另一端、所述第九nmos管nm9的源极、所述第八nmos管nm8的源极以及所述第十nmos管nm10的源极分别接地。

10、所述的电路中，所述输出驱动单元包括推挽驱动部；所述推挽驱动部的控制输入端与所述三级电平位移单元的输出端连接，所述推挽驱动部的电源端用于连接外部高压电源，所述推挽驱动部的输出端用于输出控制外部功率管的高压驱动信号。

11、本发明还相应地提供了一种驱动芯片，所述驱动芯片内部集成有如上任一所述的多级电平位移电路。

12、本发明还相应地提供了一种功率半导体器件，所述功率半导体器件包括如上任一所述的多级电平位移电路。

13、有益效果：

14、本发明提供了一种多级电平位移电路，通过一级电平位移单元、二级电平位移单元、三级电平位移单元与输出驱动单元的三级串联集成架构，实现电压应力的分级分担，每一级仅承担部分电压差，大幅拓展了从低压数字域到高压功率域的电压转换范围；各级电平位移单元依次完成初步电平抬升、信号整形与最终电平匹配，有效规避信号传输过程中的噪声干扰，显著优化电路抗干扰性能与信号响应速率，以此解决传统交叉耦合电平位移电路采用单一拓扑结构，无法兼顾高压隔离、低功耗运行与高驱动能力的技术短板，克服了传统电路电压转换范围受限、静态功耗高、工作可靠性弱、负载驱动能力不足的技术缺陷。