专利名称：一种可抗共模电源噪声干扰的高压栅驱动电路模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及可抗共模电源噪声干扰的高压栅驱动技术领域，特别涉及一种镇流器、电机驱动领域的半桥驱动芯片中为防止驱动管被误操作所使用的抗共模电源噪声干扰高压驱动电路设计。
背景技术：
智能功率模块(Intelligent Power Modular)将高压集成电路芯片、低压控制集成电路芯片、分立的功率器件等多个电路元件集成在一个模块中，具有传统的分立电子元件构成的电子控制系统所不具备的很多优势，近年来已逐渐取代分立电子元器件所搭建的传统电子控制系统，成为当前工业电机、空调/冰箱各种家用电器及汽车转向控制等应用中的核心部件，有着非常广泛的应用。近几年来，随着电机紧凑性和环保性等概念的提出，对变频电机用IPM也提出了更高层次的需求小型化、低功耗、智能化、高可靠，单芯片集成IPM就是这一发展趋势的集中表现，单芯片集成智能功率模块需基于先进的半导体工艺平台，利用高端器件及电路设计技术，将各类高、低压电路，如逻辑控制电路、保护电路、高压输出电路及高压绝缘栅双极型器件(IGBT)等集成在一块芯片上，实现完整的系统功能。目前，掌握变频电机用单片集成IPM芯片设计与制造技术的单位(机构)主要是全球领先的半导体公司，其主要代表有东芝、日立、三菱、恩智浦、意法，其产品占据了国内几乎全部的变频电机控制芯片市场。造成这一局面的主要问题就是我国高压驱动芯片电路与工艺核心设计及制造技术的缺失。半桥驱动芯片主要用来驱动外部半桥拓扑结构的功率管，内部的驱动电路按照工作电源电压的不同分为高压侧驱动电路与低压侧驱动电路，随着半桥拓扑结构晶体管的开通关断输出点电压工作在浮动状态，因此高压侧的驱动电路电压也应随着输出点电压的变化工作在浮动状态，这种功能主要可以通过外部的自举电路来实现。为了减小半桥驱动芯片整体的功耗，主要通过产生双路短脉冲的方式来产生高压侧晶体管的驱动信号，这样可以通过减小内部电平转换开关管的导通时间从而抑制功耗，导通时间越短，功耗越小。然而导通时间越短，有效的脉冲信号就越容易受到干扰信号的影响，干扰信号主要有两种，一种为不同宽度的差模噪声脉冲，一种为由电源噪声引入的共模电源噪声干扰脉冲。为了滤除掉不符合要求的干扰信号，对于差模信号一般可以采取RC滤波电路从而可以滤除掉不符合宽度要求的脉冲信号，比如顶公司的系列产品。对于共模电源噪声信号， 由于电平移位电路中的开关管存在寄生电容，因此共模电源噪声的存在将会在电平移位电路上产生位移电流，从而将在电阻Rtl产生压降被后级电路误认为是正常工作时的触发信号，在正常的时序下有可能使得两只功率管之间产生直通现象从而损毁晶体管。为解决此种问题，可以采用特制的共模噪声抑制电路将共模电压噪声转化为电流，再通过差动对的形式将其消除，Fairchild公司的半桥系列产品中都会采用此种共模抑制电路。此种最常用的共模抑制电路主要缺点在于①电路整体的结构比较复杂，实现方式困难；②由于它在芯片整体信号的传播通路上，所以它会增加整体电路的延迟；③在芯片正常工作时该电路依然处于工作状态，因此会增加芯片的整体工作电路从而影响芯片功耗。
发明内容
针对高压栅驱动电路的抗共模电源噪声干扰的问题，本发明提供一种能够有效避免产生误触发信号且电路结构简单的可抗共模电源噪声干扰的高压栅驱动电路模块，本发明能够在保证整体电路的抗噪声干扰能力的同时，不影响电路的正常工作状况。本发明的技术方案为
一种可抗共模电源噪声干扰的高压栅驱动电路模块，包括高压电平移位电路，脉冲滤波电路，RS触发器、输出驱动级电路，其中高压电平移位电路的输入由外部输入信号提供， 其输出接脉冲滤波电路的输入端，脉冲滤波电路的输出经过RS触发器进入输出驱动级电路，在高压电平移位电路的输出端连接有抗共模电源噪声信号干扰电路，所述抗共模电源噪声干扰电路由PMOS管M1，电阻R1，电容Cl以及齐纳二极管Dl组成，电阻Rl —端接电源 VB,另一端接PMOS管Ml栅极，PMOS管Ml源极接电源VB，PMOS管Ml漏极接高压电平移位电路的输出端，电容Cl的一端接PMOS管的栅极，电容Cl的另一端接地，齐纳二极管Dl阴极接电源VB，齐纳二极管Dl阳极接PMOS管的栅极。与现有技术相比，本发明具有如下优点
(1)可以有效降低共模电源噪声对电路工作状态的影响。本发明中包含的抗共模电源噪声干扰电路可以有效地减小由电源信号波动而在电平移位电路输出端产生的共模噪声脉冲宽度，从而使其无法通过后级的脉冲滤波电路，从而有效避免电源信号的波动对后级电路产生误触发信号。(2)抗共模电源噪声干扰电路结构简单。高压电平移位电路中的抗共模电源噪声干扰电路结构仅由一只PMOS管，一只电阻，一只电容与一只齐纳二极管组成，与大部分传统的抗共模电源噪声干扰电路结构相比整体电路结构要简单很多，可以采用更少的器件实现同样的抗噪声干扰功能。(3)不影响电路的正常工作状况。栅驱动电路正常工作时电源电压稳定，因此抗共模噪声干扰电路并不工作，只有当电源中出现共模电源噪声时抗共模电源噪声干扰电路才起作用，所以说在保证整体电路的抗噪声干扰能力的同时，本发明并不影响电路的正常工作状况。(4)芯片整体延迟要小。本发明中外加的抗共模电源噪声干扰电路并不在电路正常工作时信号的传播通路上，因此说不影响电路模块正常工作时的整体延迟。(5)芯片的功耗更低。本发明中的抗共模电源噪声干扰电路在芯片正常工作时不影响总体工作电流，因此不需要引入额外的电源功耗。(6)整体电路方便集成。抗共模电源噪声干扰电路中所涉及的所有器件均可以采用高低压兼容工艺与整体电路集成在一起，并且由于电路的结构比较简单，所以整体所占的版图面积比较小。
图1是半桥驱动电路驱动外部功率管的基本拓扑结构。图2是本发明可抗共模电源噪声干扰的高压栅驱动电路模块的结构框图。
图3是本发明中高压电平移位电路与抗共模电源噪声干扰电路的具体电路图。图4是普通不带抗共模电源噪声干扰电路的高压电平移位电路的工作波形。图5是本发明中带抗共模电源噪声干扰电路的高压电平移位电路的工作波形，图中，dv/dt噪声为共模电源噪声。
具体实施例方式一种可抗共模电源噪声干扰的高压栅驱动电路模块，包括高压电平移位电路1，脉冲滤波电路2，RS触发器3、输出驱动级电路4，其中高压电平移位电路1的输入由外部输入信号提供，其输出接脉冲滤波电路2的输入端，脉冲滤波电路2的输出经过RS触发器3进入输出驱动级电路4，在高压电平移位电路1的输出端连接有抗共模电源噪声信号干扰电路5，所述抗共模电源噪声干扰电路5由PMOS管Ml，电阻Rl，电容Cl以及齐纳二极管Dl组成，电阻Rl —端接电源VB，另一端接PMOS管Ml栅极，PMOS管Ml源极接电源VB，PMOS管Ml 漏极接高压电平移位电路1的输出端，电容Cl的一端接PMOS管的栅极，电容Cl的另一端接地，齐纳二极管Dl阴极接电源VB，齐纳二极管Dl阳极接PMOS管的栅极，在本实施例中， 高压电平移位电路1由NLDMOS管M0，漏端电阻RO与齐纳二极管DO组成，NLDMOS管MO的栅极接外部输入的低压脉冲信号，NLDMOS管MO的源极接地，NLDMOS管MO的漏极接电阻RO 的一端，电阻RO的另一端接电源信号VB，齐纳二极管DO的阴极接电源VB，阳极接NLDMOS 管MO的漏端。下面参照附图，对本发明的实施例做出更为详细的描述
如图1，Mh、M^为以半桥拓扑结构相连接的两只功率管，半桥拓扑外接高压偏置电源 Vdc,本发明中的高压侧栅驱动电路模块主要用来驱动上功率管Mh，随着上功率管的开通关断输出点Vs电压呈幅度为0到Vdc的方波变化，Vs作为高压侧栅驱动电路的地，为了保证上功率管在每个周期内可以被准确开启，采用外接电源Vcc与自举二极管Db、自举电容Cb组成电压自举电路为高压侧栅驱动电路提供偏置电源VB，最终通过高压侧栅驱动电路产生方波信号控制上功率管的开通与关断。 如图2，本发明的可抗共模电源噪声干扰的高压栅驱动电路模块主要包括抗共模电源噪声干扰电路模块、高压电平移位电路模块、脉冲滤波电路模块、RS触发器与输出驱动电路。为了缩短电平移位电路中功率管的导通时间从而降低功耗，高侧栅驱动电路采用窄脉冲的工作方式。其中高压电平移位电路主要用来将低压的输入窄脉冲信号转换成高压窄脉冲信号，抗共模电源噪声干扰电路将可以把由电源信号波动而在电平移位电路输出端产生的共模噪声脉冲宽度减小，脉冲滤波电路用来把电平移位电路输出端产生的窄脉冲信号中宽度不符合要求的干扰脉冲信号全部滤除掉，从而可以输出正常工作的脉冲信号经过RS 触发器的转换形成有固定周期的方波信号进入输出驱动级电路，最终输出具有合适驱动能力的的方波信号，用来控制图1中高侧晶体管的导通关断。抗dv/dt噪声干扰电路由简单的电阻、电容、齐纳二极管、场效应管组成，可以用很少的电路元件来减小由电源信号波动而在电平移位电路输出端产生的共模噪声脉冲宽度，使其无法通过后级的脉冲滤波电路， 从而有效避免电源信号波动产生的共模电源噪声信号通过高压栅驱动电路对功率管实现误触发。
如图3所示为本发明中设计的抗共模电源噪声干扰电路与高压电平移位电路的具体电路结构。电平移位电路中输入信号为有固定脉冲宽度的窄脉冲信号，M0为可以耐高压的NLDM0S，其只在输入窄脉冲幅度为高电平期间开通，导通电流在漏电阻Rtl上产生压降， 压降的最大幅度被齐纳二极管Dtl的击穿电压所箝位，从而可以保护后级脉冲滤波电路中的器件不会被Rtl上过大的压降所击穿。正常工作时电阻Rtl上的压降将会在NLDMOS漏端产生幅度固定的与输入脉冲相位相反的输出脉冲信号，只有低于后级电路的翻转电平Vth的输出电平才是有效的输出信号，此输出信号将输入后级的脉冲滤波电路，滤除其中宽度不足的噪声信号。如图4为不接抗共模电源噪声干扰电路时，高压电平移位电路在共模电源噪声干扰下的工作波形。由于^^^05管礼漏端存在寄生电容，电源变化产生的共模噪声信号将会通过NLDMOS的寄生电容产生位移电流，从而在Rtl上产生电压降，如果此电压降(Vb-Vcj)足够大并且低电平脉宽、大于脉冲滤波电路的设计滤波宽度，噪声信号将会造成对功率管的误触发。为了避免功率管被误触发，本发明中引入了抗共模电源噪声干扰电路。抗共模电源噪声干扰电路中C1为与NLDMOS具有相同工艺结构的电容，此种结构可以保证C1具有较高的击穿电压，C1的作用在于当电源端产生共模噪声之后，干扰噪声可以通过C1产生流过 RpC1支路的位移电流，所产生的位移电流将流过电阻R1从而在R1上产生压降，当此压降大于PMOS开关管M1的阈值电压Vtlip时，M1将会被开启，而齐纳二极管D1的存在将保证M1栅上的压降不会过高从而导致M1被击穿。M1开启之后，若此时NLDMOS上也有由于存在寄生电容而产生的位移电流，则开启之后的M1与NLDMOS的寄生电容将会形成电流通路，若此时 M1源漏之间的电压为Vsdp，则电平移位电路的输出电平V。为(VB-Vsdp)。图5为外接抗共模电源噪声干扰电路后高压电平移位电路的工作波形。若虬为理想的开关管，则导通之后的Vsdp很低，从而使得电平移位电路的输出点电压V。又被拉回到近似高电平的位置。因此，我们可以通过抗共模电源干扰电路尽可能缩短NLDMOS漏极输出信号I中有效低电平的维持时间、，使得共模电源噪声所产生的信号无法通过脉冲滤波电路，从而有效避免电源信号波动产生的共模电源噪声信号通过高压栅驱动电路对功率管实现误触发。
权利要求
1.一种可抗共模电源噪声干扰的高压栅驱动电路模块，包括高压电平移位电路1，脉冲滤波电路2，RS触发器3、输出驱动级电路4，其中高压电平移位电路1的输入由外部输入信号提供，其输出接脉冲滤波电路2的输入端，脉冲滤波电路2的输出经过RS触发器3进入输出驱动级电路4，其特征在于，在高压电平移位电路1的输出端连接有抗共模电源噪声信号干扰电路5，所述抗共模电源噪声干扰电路5由PMOS管M1，电阻R1，电容Cl以及齐纳二极管Dl组成，电阻Rl —端接电源VB，另一端接PMOS管Ml栅极，PMOS管Ml源极接电源 VB, PMOS管Ml漏极接高压电平移位电路1的输出端，电容Cl的一端接PMOS管的栅极，电容Cl的另一端接地，齐纳二极管Dl阴极接电源VB，齐纳二极管Dl阳极接PMOS管的栅极。
2.根据权利要求1所述的可抗共模电源噪声干扰的高压栅驱动电路模块，其特征在于，高压电平移位电路1由NLDMOS管M0，漏端电阻RO与齐纳二极管DO组成，NLDMOS管MO 的栅极接外部输入的低压脉冲信号，NLDMOS管MO的源极接地，NLDMOS管MO的漏极接电阻 RO的一端，电阻RO的另一端接电源信号VB，齐纳二极管DO的阴极接电源VB，阳极接NLDMOS 管MO的漏端。
全文摘要
本发明提供一种可抗共模电源噪声干扰的高压栅驱动电路模块，主要包括抗共模电源噪声干扰电路，高压电平移位电路，脉冲滤波电路，RS触发器，输出驱动电路，其中抗共模电源噪声干扰电路可以把由电源信号波动而在电平移位电路输出端产生的共模噪声脉冲宽度减小，高压电平移位电路主要用来将低压的输入脉冲信号转换成高压脉冲信号，脉冲滤波电路用来把电平移位电路输出的脉冲信号中一定宽度以下的干扰脉冲信号都滤除掉，只留下正常工作的脉冲信号。抗共模电源噪声干扰电路由简单的电阻、电容、齐纳二极管、场效应管组成，可以用很少的电路元件来有效的避免电源信号波动产生的共模电源噪声信号通过高压栅驱动电路对功率管造成的误触发。
文档编号H02M1/08GK102307001SQ20111024292
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者刘少鹏, 孙伟锋, 时龙兴, 毛宁, 钱钦松, 陆生礼 申请人:东南大学