专利名称：半桥门极驱动器电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用门控装置的开关式半桥(half-bridge)电力电路，并且尤其涉及由带内部浮动门极驱动器部件的集成电路门极驱动器驱动的反向电流电力变流器电路。
已开发了一些方法，试图解决这一问题。其中的一种方法试图减少电路中内部电感产生的附加电压，从而消减在断开正向开关时施加在集成电路上的负电压尖峰。但在本发明的技术领域内，这种方法存在严重的缺陷。即便设计者能补偿电路结构中所有的电磁感应，续流二极管上的瞬时正向电压仍将存在于电路中。
由于续流二极管产生的正向电压仍将导致电源开关同时导通或者直接破坏门极驱动器集成电路，补偿电路内部电感的努力不能在快速开关、高频应用方面提供一种成功的解决方案。
如
图1所示的现有技术披露了一种门极驱动器电路，该门极驱动器电路用于以半桥取得的(half-bridge derived)具有高压和硬开关特性的开关电力变流器。该门极驱动器电路包括一正向开关和一负向开关。高侧驱动器电路控制正向开关，而低侧驱动器电路控制负向开关。此外，所述两开关都连接到同一负电位。
传统设计方案的另一问题是由于高侧门极驱动器中级联级数目的增加，与低侧门极驱动器相比，传统设计方案具有较慢的高侧门极驱动器。一些设计方案试图通过在低侧路径中增加延时，以求在高侧输出和低侧输出之间使传播延迟匹配。增加延时的一种典型方法就是级联一偶数数目的变流器。尽管做了这样的努力，级联级数目增加的结果是电路中的不精确时延调整造成电路的共模电流(common-modecurrent)或者击穿(shoot-through)。当时间和温度都在变化，而试图保持时延调整时，不精确时延调整的问题变得尤其突出。电源开关、门极驱动器电阻、温度阈值、集成电路缺陷以其它参数的允许误差(tolerance)都必须考虑在内。当允许误差较宽时，在特定的应用中失真会增加，该特定应用例如为脉宽调幅音频放大器。
本发明的一种形式包含一个开关式反向电流电力变流器，该开关式反向电流电力变流器具有两个独立的浮动高侧门极驱动器。从电路中除去低侧驱动器，使得集成电路的负极基片的电位成为所需要的负值，从而保护集成电路。这样的结果就是在最大程度上使所期望的用途中的各控制信号彼此间隔离。控制信号之间的隔离减少了一个开关的转换对于另一开关的调制过程所产生的有害的噪声效果。通过本发明取得的所述隔离的好处是用一个集成电路即可结合多个高侧门极驱动器。本发明有各种用途，例如包括音频放大器以及需要带六个高侧门极驱动器级的集成电路的三相电机。
高侧设计结构运用输入控制逻辑电路来操作高侧和低侧开关，输入控制逻辑电路以具有负基片电位的电源为参考电压，该负基片电位在工作中相对于两电源开关的负极公共点而变为负。实际上，负基片电位将与续流二极管在正向开关关断时产生的正向电压负极尖峰的最大负值一样，从而防止驱动器逻辑混乱以及对门极驱动器集成电路的破坏。
输入控制逻辑电路的参考电源电压可通过各种电源产生。电池能提供必要的电压，尽管其增加了系统的复杂性和成本。在一示范性具体实施例中，通过控制续流二极管的正向恢复电压以获得保护集成电路所需的必要电压，从而获取参考电源电压。在另一实施例中，输入控制逻辑电路的参考电源电压是通过利用电路中已有的交流电力电源来获取。上述的实施例为输入控制逻辑电路提供了必要的电压，而无需增加成本或因增加额外的电源而增大附带的复杂性。
在本发明的一具体实施例中，可包括一信号转换级，用于为门极驱动器的控制逻辑电路提供转换输入信号的前端配置。可用该信号转换级来校正与门极驱动器控制逻辑电路的输入信号相关的噪声问题。在校正噪声问题上，不论是负的电源电压(-Vcc)产生的噪声抑或是由所取得的参考电源电压(-Vcx)——取得过程见后——产生的噪声，信号转换级的补偿都同样有效。信号转换级包括三个或更多的带关联旁路电容和电阻的级联晶体管以更容易地从输入信号中耗散进入控制逻辑电路的噪声。在信号转换级中还包括寄生晶体管，寄生晶体管构成适当的非线性电容以跟踪级联链中的电压，并恰当地消除-Vcx电源上的噪声作用。信号转换级的结构中使用的晶体管包括附图中所示的晶体管，但不仅限于此。本领域的技术人员能很容易地将其它类型的晶体管用于本发明的应用中。信号转换级的一个示范性具体实施例是一种独特的高侧门极驱动器集成电路，其将信号从大地电位转换到-Vcx电源的负电位。
本发明的一个优点是其使得高侧电源开关电源导线上的负电压尖峰不会造成变流器的功能异常或对集成电路造成其它危害。
本发明的另一优点是其对称设计使得对于高侧和低侧电力开关而言，集成电路的传播延迟更加一致。
本发明还有一个优点是使交错式变流器(interleaved converter)的静态输出纹波最小。
本发明更进一步的优点是驱动器的输入与输出更彻底地隔离，从而减少输入中的噪声。
本发明还有一优点是使内部的门极驱动器转换场效应晶体管上的漏极电源电压最大，从而减少了高侧驱动器的传播延迟。
现参考附图，图1表示现有技术的反向电流电力变流器11。脉宽调制(PWM)信号通过低侧输入信号转换器晶体管40后输入到低侧驱动器电路6，并且通过高侧输入信号转换器晶体管42后输入到高侧驱动器电路8。输入信号与高侧开关7及低侧开关9连通，从而产生接通及断开条件。高侧开关7的输入信号由施密特触发器10所接收，施密特触发器10使逻辑电路强化，从而使其对有噪声的输入信号不会过于敏感。“或非”门18接收施密特触发器10及欠压装置20的输出信号。欠压装置20相当于一联锁装置，当驱动信号的电压过低时，其使驱动信号失效。脉冲发生器26根据“或非”门18输出电平的高或低而接通或者断开。脉冲发生器26先将交变脉冲信号供给转换场效应晶体管27，然后再将该交变脉冲信号供给转换场效应晶体管25。转换场效应晶体管25、27的输出信号输送到接收级30，以使得接收级30的触发电路上的对应输入管脚置位并随后复位。欠压装置28与接收级30的复位管脚相连，作用相当于联锁装置，当驱动信号的电压过低时使该驱动信号失效。接收级30的输出发送至高侧门极驱动器32。高侧门极驱动器32由电压Vb与Vs供电。经高侧门极驱动器32转换输出的驱动信号通常产生0.5安培到约3安培的驱动电流。驱动输出信号经电阻Rgp而馈送，用于驱动高侧开关7。
相似地，低侧开关9的输入信号由与延时模块22相连的施密特触发器12接收。门24接收延时模块22和欠压装置20的输出信号。低侧门极驱动器34接收门24的输出信号。低侧门极驱动器34由电压Vcc15供电，并连接到集成电路的公共信号端。经低侧门极驱动器34转换输出的驱动信号经电阻Rgn而驱动低侧开关9。
图2表示根据本发明的分开的高侧门极驱动器电路8、8′驱动的反向电流电力变流器的示意图。施密特触发器10接收用于高侧开关7的输入信号。“或非”门18接收施密特触发器10及欠压装置20的输出信号。如上所述，欠压装置20的功能是作为联锁装置。脉冲发生器26接收“或非”门18的高或低的输出，“或非”门18的高或低的输出指示何时接通及何时断开。脉冲发生器26先将交变脉冲信号提供给转换场效应晶体管27，然后再提供给转换场效应晶体管25。转换场效应晶体管25、27的输出传送给接收级30，以使得接收级30的触发电路上的对应输入管脚置位并随后复位。欠压装置28与接收级30的复位管脚相连，其功能为上述的联锁装置。接收级30的输出连接到高侧门极驱动器32，高侧门极驱动器32由电压Vb及电压Vs提供电源。经高侧门极驱动器32转换的驱动输出信号通常产生0.5到3安培的驱动电流。驱动器32的驱动输出经过电阻Rg而馈送以驱动高侧开关7。
对于低侧开关9，高侧驱动器电路8′的输入信号通过与高侧开关7的输入信号相同的逻辑电路传输。不过低侧开关9的驱动输出经电阻Rg而馈送以驱动低侧开关9。
电池48产生电压-Vcx13，电压-Vcx13提供输入控制逻辑电路参考电压。两个高侧驱动器电路8、8′的逻辑电路由一简单的并联稳压电路供电，并联稳压电路具有齐纳二极管46、旁路电容44以及接地电阻52。应当认识到电池48产生的电压-Vcx13的电压值应与二极管Dp14两端的正向电压的最大额定值(即二极管Dp14正向电压的最大负值)为相同的负值。同样，应当认识到图中所示公共部分是通过二极管14调整的电压。
图3表示与图2相同的两个分开的高侧驱动器电路8、8′的应用，以及产生电压-Vcx13的电路的另一较佳实施例。二极管Dp14与二极管D1相连接。当高侧开关7断开而在二极管Dp14两端出现一较大正向电压时，因为二极管D1负极(即与二极管Dp14相连的一端)的电压低于-Vcc15，二极管D1开始导通。二极管D1一旦导通，在开关7的暂态过程期间，-Vcx13即下降到Vs的电压值。在暂态过程期间，-Vcx13的数值就是二极管D1导通电压与Vs之和。结果是-Vcx13与Vs的电压值彼此非常接近，而且这两个电压均低于-Vcc15。在变流器不进行转换的静态状态下，二极管D2提供电压为-Vcx13，从而防止集成电路不工作时对集成电路的危害。
图4表示与图2相同的两个分开的高侧驱动器电路8、8′的应用，其带有一任意的交流电压源54以生成-Vcx13。交流电压源54与电容Cpump相连，而电容Cpump又与二极管D1′和二极管D2相连。电压源54可由一独立的交流发电机形成，或者由典型应用电路(如声频应用中的开关式电力变流器)中若干小型交流电源之中的一个形成。图4中的虚线表示电源54的两个可能的连接点。在整个电路工作期间，电源54应始终以同一频率工作，或以该频率的某一谐波工作，以避免不希望有的拍频。
在工作中，当电源54的电压为正向半波时，产生通过二极管D2的电流。与此相对应，当电压源54的电压为负向半波时，二极管D1′开始导通，从而在高侧开关的暂态过程期间使-Vcx13下降到Vs。
图5中包括信号转换级70，用于处理门极驱动器的输入信号。信号转换级70也能用于图1至图4的电路。信号转换级70包括级联在一起的几个——典型为三个或者三个以上——共基极的级71(即，一个级71中晶体管的集电极与下一个级71中晶体管的发射极连接)。各脉宽调制信号开关可使信号从其对应的共基极的级71的各发射极通过而从集电极输出。在一实际应用实施例中，每一级71是一分压器，在脉宽调制信号输入到高侧驱动器电路8、8′前，其将脉宽调制信号电压转变为低于大地电位。由于小晶体管只能转换一部分高电压，用几个小晶体管71来转换输入信号的高电压。另一方面，由于小晶体管的输出电容较小，使用小晶体管是有益的。
每一级71都包含用于消除噪声的电容60、62。其它各级未显示于图中，是因为要展示更多的完成相同功能的电容。除转换晶体管Qbn及Qbp通过电阻64、66分别与Vcc15相连外，在各级71的链上，每个晶体管的基极节点都旁路接地。来自脉宽调制信号的交流噪声存在于转换晶体管Qbn及Qbp的基极-集电极的接点两端。转换晶体管Qbn及Qbp用于传输脉宽调制信号电流，并且选择转换晶体管Qbn及Qbp是为了使输出电容最小。这就使得当噪声信号施加于-Vcx13和大地电压之间时，对集电极电流的干扰最小。寄生晶体管Qbn及Qcp用于消除转换晶体管Qbn及Qbp的集电极中存在的噪声信号。
在工作中，图5中的信号转换级70产生的电流将流经级链的电流放大，从而使得由电流的变化而产生于电阻Rip和Pin两端的电压最小。由于电阻Rip和Pin与信号路径串联，因此电阻Rip和Pin两端的电压会发生变化。换言之，如果-Vcx13的电压瞬时变得更低，电阻Rip和Pin两端的电压就分别相对于缓冲器56、58的输入管脚而变为正电压。电阻Rip和Pin两端的电压与-Vcx13完全反相。电阻Rip和Pin所承受的净噪声电流会污染进入缓冲器56、58的信号。缓冲器56、58以-Vcx13为参考电压。本实施例使得缓冲器56、58能够消除输入缓冲器的噪声信号。
转换晶体管Qbn及Qbp两端的噪声电压与预期存在于晶体管Qcn及Qcp两端的电压相同。充电电流反馈到级链中以消除转换晶体管Qbn及Qbp基极-集电极电容上的噪声。然而，由于没有电流从寄生晶体管Qcn及Qcp通过，因此转换晶体管Qbn及Qbp与寄生晶体管Qcn及Qcp的工作点不同。当晶体管有电流通过时，晶体管的输出电容会略微变大。由于电流通过转换晶体管Qbn及Qbp而没有通过寄生晶体管Qcn及Qcp，因此这些晶体管的输出电容是不同的。通过将寄生晶体管Qcn及Qcp的集电极连接至-Vcc15即可对此加以补偿，因为这迫使寄生晶体管Qcn及Qcp的输出电容增加，从而对其缺乏承载偏流(carrying bias)加以补偿。通过这种补偿，寄生晶体管Qcn及Qcp即构成适当的非线性电容以跟踪级链中的电压，并恰当地消除来自-Vcx13电源支路的噪声效应。
尽管本发明是以一较佳设计方案进行描述，但在本发明披露的精神和范围内可作进一步的修改。因此，本发明的意图是覆盖使用本发明一般原理的所有变化、应用或者修改。更进一步地说，本发明申请意图覆盖所有以本领域中公知的或惯用的、与本发明有关的做法而对本发明披露内容所做的改变。
权利要求
1.一种用于以半桥取得的开关电力变流器的门极驱动器电路，该门极驱动器具有一接至负电位(12)的正向开关(7)，以及接至负电位(12)的负向开关(9)，该门极驱动器包含用于控制该正向开关(7)的第一驱动器电路(8)、用于控制负向开关(9)的第二驱动器电路(8′)，所述门极驱动器电路的特征在于所述的第一及第二驱动器电路(8和8′)的电源输入以一公共电位(13)为参考电位。
2.如权利要求1所述的门极驱动器电路，其进一步特征在于正电位+Vcc，其中所述的正电位和负电位限定了电位范围，所述公共电位在该电路工作期间暂态超出该电位范围。
3.如前述任一权利要求所述的门极驱动器电路，其特征在于在该电路工作期间，所述公共电位相对于所述负电位变为负。
4.如前述任一权利要求所述的门极驱动器电路，其特征在于所述第一开关包括将该第一开关与接至所述负电位的二极管(14)。
5.如前述任一权利要求所述的门极驱动器电路，其特征在于所述公共电位是通过所述二极管调整的电压。
6.如前述任一权利要求所述的门极驱动器电路，其特征在于所述公共电位由电荷泵(48)提供，该电荷泵(48)以所述负电位为参考电位并且由交流电源驱动。
7.如前述任一权利要求所述的门极驱动器电路，其特征在于信号转换级(70)，该信号转换级将多个开关加以转换，该多个开关以直流电位来启动信号，该直流电位相对于所述公共电位为正。
8.如权利要求7所述的门极驱动器电路，其特征在于每一信号转换级包括多个三维半导体(71)，其中一个信号转换半导体具有通过电容(60、62)而耦合至所述电源输入的输入端。
9.如前述任一权利要求所述的门极驱动器电路，其特征在于所述电容是所述第一信号转换级的半导体的另一信号转换级的输出电容。
10.如前述任一权利要求所述的门极驱动器电路，其特征在于所述第一驱动器电路包含施密特触发器(10)、“或非”门(18)以及为多个晶体管(25、27)生成信号的脉冲发生器(26)，从而使得能够以软开关方式来启动及释放所述第一开关。
全文摘要
一种半桥式门极驱动器电路，包括两个独立的浮动高侧驱动器电路(8和8′)，用于控制具有高侧开关(7)和低侧开关(9)的开关电路。驱动电路(8和8′)中，每个都包括输入控制逻辑电路，该输入控制逻辑电路以电源信号为参照电压而具有一电位，该电位相对于所述开关的负极公共端(12)为负，从而强化了开关电路的控制。电路还可以进一步包括信号转换级(70)，用于为驱动器电路(8和8′)的逻辑控制转换控制信号。信号转换级(70)包括多个级联的寄生晶体管(71)，该寄生晶体管提供补偿电容而使噪声信号减至最小。
文档编号H03K17/06GK1468463SQ02800472
公开日2004年1月14日 申请日期2002年2月6日 优先权日2001年2月6日
发明者G·R·斯担利, G R 斯担利 申请人:哈曼国际工业有限公司