专利名称：栅极驱动电路及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及一种驱动器，特别是涉及一种栅极驱动电路及其驱动方法。
背景技术：
由于某些特定的应用电路需要巨大驱动能力的组件，该组件通常是功率晶 体管，而为了控制功率晶体管来推动这些应用电路，必须输入一控制信号至功 率晶体管的栅极端，因此，会在功率晶体管的前级配置一栅极驱动电路。例如 马达的驱动原理，就是控制依照特定连接方式的高压端功率晶体管与低压端功 率晶体管，以按照顺序使其导通与关闭来让马达转动。而要使功率晶体管导通 或关闭，必须在其栅极端输入一高态或低态的控制信号，但由于在高压端与低 压端功率晶体管的栅极端所输入的控制信号，其高态与低态的电压位准并不相 同。为此，必须在功率晶体管前配置一栅极驱动电路，用以将一般控制信号转 换成可控制功率晶体管导通或关闭的信号。
如图1所示，其为公知技术的栅极驱动电路的示意图。栅极驱动电路10 包含一输入逻辑电路110、 一脉冲产生器120、 一高压电压位准转换器130、 一脉冲滤波器140、 一闩锁电路150、 一高压端驱动级160、 一低压端驱动级 170及一低电压检测器180。而输入逻辑电路110利用信号输入端HIN、 LIN 来接收输入信号。
高压端的输出信号AT经过脉冲产生器120及高压电压位准转换器130做 电压位准转换，并经由脉冲滤波器140及闩锁电路150的处理而产生，其中高 压电压位准转换器130之后的电路(包含脉冲滤波器140、闩锁电路150及高 压端驱动级160)的电压操作范围是具有较高电压的VB至VS。低压端的输出信 号AB则直接受控于输入逻辑电路110，并且电压位准相对较低，其电压操作 范围是VM至VSS。此外VB与VS的差值会等于VM与VSS的差值。然后通过高 压端驱动级160及低压端驱动级170的驱动级输出组件的开关切换，来决定输 出信号AT、 AB的状态。然而，高压端的脉冲滤波器140、闩锁电路150及高压端驱动级160的负
端供应电源VS并不等于VSS。因此，上述的驱动电路在一般高压制作过程实 现时，将由于N型金属氧化半导体场效晶体管的基板端(bulk)电压位准VSS 与源极端电压位准VS不相等，因而产生基体效应，而使临界电压(VT)变得很 大，进而衍生出驱动能力不佳的问题。为了要消除基体效应，通常的作法都是 利用复杂且特殊的高压工艺技术(如三井(Triple Well)制作过程)来解决。 这样一来，不仅制作过程复杂，并且耗费成本。
另一方面，当高压端驱动级160在做驱动级输出组件的开关切换时，其电 压范围为VB~VS，以至于高压电压位准转换器130无法使用一般的架构。并且， 为了避免高压电压位准转换器130持续消耗功率，通常会加入脉冲产生器120 以及闩锁电路150来闩锁脉冲产生器120的信号，进而再利用脉冲滤波器140 来滤掉高压电压位准转换器130在切换瞬间时所产生的噪声。但如此一来，将 使组件增多而又进一步造成成本的上扬。
不同于上述的驱动电路，本发明将提供可避免基体效应、简化高压端电路 且可在一般高压制作过程实现的栅极驱动电路，以克服现有技术所产生的问 题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种栅极驱动电路及其驱动方法，在直接利用电压 位准转换器将输入端信号的电压操作位准范围转换，并且在高压端驱动级输出 组件采用串接的P型金属氧化半导体场效晶体管来作为开关切换，以避免在一 般的高压制作过程中产生基体效应。
为了实现上述目的，本发明提供了一种栅极驱动电路，包含输入逻辑电路、 高压电压位准转换器、低压电压位准转换器、高压端驱动级、低压端驱动级及 低电压检测器。高压电压位准转换器及低压电压位准转换器把输入逻辑电路所 提供的信号的电压操作位准范围，执行转换动作。高压端驱动级连结于高压电 压位准转换器，根据高压电压位准转换器转换后的信号，来控制产生高压端的 输出信号。低压端驱动级连结于低压电压位准转换器，根据低压电压位准转换 器转换后的信号，来控制产生低压端的输出信号。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种栅极驱动方法，用以控制一栅极驱动电路的输出信号的状态，该方法包含输入一输入信号，该输入信号具有 一高态电压位准及一低态电压位准；转换该输入信号，以产生至少一高压端输 出控制信号及至少一低压端输出控制信号，该高压端输出控制信号以及该低压 端输出控制信号的一高态电压位准均高于该输入信号的高态电压位准，且该高 压端输出控制信号以及该低压端输出控制信号的一低态电压位准均等于该输 入信号的低态电压位准；根据该高压端输出控制信号来控制该栅极驱动电路的 一高压端的输出；以及根据该低压端输出控制信号来控制该栅极驱动电路的一 低压端的输出。
由上述可知，本发明直接利用电压位准转换器将输入端的电压位准范围转 换，以降低电路组件的使用，并减少成本的耗费；另外高压端采用串接的PMOS 来作为驱动级输出组件，以避免在一般高压制作过程下，串接的PMOS连接至 丽0S时，隨0S基板端与源极端之间所产生的高电压差所造成的基体效应。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的 限定。
图1为常用技术的栅极驱动电路示意图； 图2为本发明内容的栅极驱动电路的方块示意图； 图3为常见的电压位准转换器的电路示意图； 图4为本发明内容的栅极驱动方法的流程图；以及 图5为本发明内容的栅极驱动电路的方块示意图。 其中，附图标记
栅极驱动电路10， 20， 51， 52， 53 三相栅极驱动器 50 输入逻辑电路 110,210 脉冲产生器 120 高压电压位准转换器 130,220 低压电压位准转换器 230 高压端驱动级160， 240 低压端驱动级170， 250
7脉冲滤波器 140 闩锁电路 150 低电压检测器 180,260 驱动级输出组件241， 242， 251， 252 电压位准VCC， VSS， VB， VS， VM， VI 信号输入端HIN， LIN， HI, LI， HIl， LI1,HI2， LI2， HI3， LI3 高压端信号 HD 低压端信号 LD 高压端输出控制信号 HH，HL 低压端输出控制信号 LX 电压位准转换器输入端SI， SIB 电压位准转换器输出端S0， S0B 晶体管 Q1，Q2，Q3，Q4 输出信号AT， AB， PH， PL， PH1, PL1， PH2, PL2， PH3， PL具体实施例方式
请参考图2，其为本发明内容的栅极驱动电路的方块示意图。本发明的栅 极驱动电路20包含一输入逻辑电路(input logic circuit) 210、 一高压电 压位准转换器(high voltage level shifter) 220、 一低压电压位准转换器 (low voltage level shifter) 230、 一高压端驱动级(high side driver) 240、 一低压端驱动级(low side driver) 250及一低电压检测器(low voltage detector) 260。
输入逻辑电路210通过信号输入端HI及LI来接收一输入信号，并将此输 入信号通过输入逻辑电路210内部电路的运算，而转换成一高压端信号(high side signal) HD及一低压端信号(low side signal) LD。其中，输入逻辑 电路210的电压操作范围在VSS至VCC之间。而VSS与VCC在设计上可分别例 如为OV及5V，但也可因实际应用状况的不同而有所不同。
高压电压位准转换器220连结于输入逻辑电路210，并接收输入逻辑电路210所提供的高压端信号HD，以进一歩地将此高压端信号HD执行转换，也就 是将高压端信号HD所具备的电压操作位准由原来的VCC至VSS转换为VB至 VSS。此外，高压电压位准转换器220会运算此高压端信号HD，以产生高压端 输出控制信号朋和HL，其中高压端输出控制信号HH控制栅极驱动电路20的 高压端的输出呈现高态(high)，而高压端输出控制信号HL控制栅极驱动电 路20的高压端的输出呈现低态(low)。
低压电压位准转换器230连结于输入逻辑电路210，并接收输入逻辑电路 210所提供的低压端信号LD，以进一步地将此低压端信号LD执行转换，也就 是将低压端信号LD所具备的电压操作位准由原来的VCC至VSS转换为VM至 VSS。此外，低压电压位准转换器230会运算此低压端信号LD，以产生低压端 输出控制信号LX，而低压端输出控制信号LX控制栅极驱动电路20的低压端 的输出呈现高态或低态。其中，VM也同时为低压电压位准转换器230以及低 压端驱动级250的供应电源。
高压端驱动级240连结于高压电压位准转换器220，其内部包含驱动级输 出组件241及242，其中驱动级输出组件241、 242都为一 P型金属氧化半导 体场效晶体管(P-type metal oxide semiconductor field effect transistor, P-type MOSFET)，并且驱动级输出组件241的漏极端(drain terminal)与 驱动级输出组件242的源极端(source terminal)连接。
当驱动级输出组件241的栅极端(gate terminal)接收到高压电压位准 转换器220所提供的高压端输出控制信号HH为低态时，驱动级输出组件241 将导通，使得驱动级输出组件241的漏极端所输出的输出信号PH呈现高态， 也就是说输出信号PH的电压位准等于VB。
当驱动级输出组件242的栅极端接收到高压电压位准转换器220所提供的 高压端输出控制信号HL为低态时，驱动级输出组件242将导通，使得驱动级 输出组件242的源极端所输出的输出信号PH呈现低态，也就是说，输出信号 PH的电压位准等于VS。而在初始的状态下，输出信号PH为VS。并且VB与VS 此时可分别例如为80V及65V，但也可因实际应用状况的不同而有所不同。
低压端驱动级250连结于低压电压位准转换器230，其内部包含驱动级输 出组件251及252，其中驱动级输出组件251为PM0S，驱动级输出组件252 为N型金属氧化半导体场效晶体管(N-type metal oxide semiconductor fieldeffect transistor, N-type M0SFET)，并且驱动级输出组件251的漏极端连 接至驱动级输出组件252的漏极端。
当驱动级输出组件251的栅极端接收到低压电压位准转换器230所提供的 低压端输出控制信号LX为低态时，驱动级输出组件251将导通，使得驱动级 输出组件251的漏极端所输出的输出信号PL呈现高态，也就是说输出信号PL 的电压位准等于VM。
当驱动级输出组件252的栅极端接收到低压电压位准转换器230所提供的 低压端输出控制信号LX为高态时，驱动级输出组件252将导通，使得驱动级 输出组件252的漏极端所输出的输出信号PL呈现低态，也就是说，输出信号 PL的电压位准等于VSS。而在初始的状态下，输出信号PL为VSS。并且VSS 与VM此时可分别例如为0V及15V，但也可因实际应用状况的不同而有所不同。
低电压检测器260连结于输入逻辑电路210，随时检测低压端(低压电压 位准转换器230及低压端驱动级250)的供应电源(即VM)是否低于一默认值， 以进一步决定是否输出一控制信号至输入逻辑电路210，来控制高压端驱动级 240及低压端驱动级250的输出皆为低态。借助此检测及控制，可以确保马达 在供电不足的状况下停止运作。
此外，高压电压位准转换器220与低压电压位准转换器230中所采用的电 路，如图3所示，其为常见的电压位准转换器的电路示意图。
举例来说，假设输入逻辑电路210输入至电压位准转换器输入端SI的高 压端信号HD为高态，其电压位准等于VCC;而输入至电压位准转换器输入端 SIB为高压端信号HD的反相信号，即为低态，其电压位准等于VSS，于是晶体 管Q3将导通，而晶体管Q4将截止。其中，电压位准V1便等于电压位准VB。
当晶体管Q3导通时，电压位准转换器输出端SO将呈现低态，其电压位准 等于VSS，并使得晶体管Q2导通。导通后的晶体管Q2会使得电压位准转换器 输出端SOB呈现高态，其电压位准等于VB，并且使得晶体管Q1截止。因此， 电压位准转换器可把该输入信号的电压操作范围转换至需要的电压操作范围 输出。最后，电压位准转换器输出端SO及SOB将分别作为高压端输出控制信 号HH及HL，来控制高压端驱动级240的切换动作。此时，高压端输出控制信 号HH及HL因为是用以开启或关闭同样均为PMOS的驱动级输出组件241及 242，故其可运作范围并不像公知技术般被限制于VS、B，而可以运作于VSS、B的范围之内。
虽然本案利用图3的电压位准转换器来作为本案的高压电压位准转换器
220及低压电压位准转换器230的实施例，但本发明内容并不受限于此，凡可
达到将信号的电压位准转换的电压位准转换器皆为本发明内容的范围。
根据上述关于栅极驱动电路20内部结构方块的叙述可知，高压端驱动级 240的输出电路采用PMOS来作为驱动级输出组件242，因此可以避免在一般高 压制作过程下，驱动级输出组件242采用丽OS时的基板端(bulk)与源极端 之间所产生的高电压差，以进一步防止基体效应(body effect)。
为了更进一歩地阐述本发明内容中图2的栅极驱动电路20的运作流程， 请参考图4所示，其为本发明内容的栅极驱动方法的流程图。首先，通过信号 输入端HI及LI输入一组输入信号至逻辑电路210中，如步骤S410。
由于栅极驱动电路20在运作过程中，低电压检测器260会随时检测低压 端(包含低压电压位准转换器230及低压端驱动级250)的供应电源VM，以监 控低压端供应电源VM是否小于一默认值，如步骤S420。因此，输入逻辑电路 210即可根据低电压检测器260检测的结果来决定其输出的结果。
当低压端供应电源VM小于此默认值时，如步骤S421，低电压检测器260 会输出一控制信号至输入逻辑电路210，迫使输入逻辑电路210通过高压端信 号HD来控制高压端驱动级240的输出信号f>H为低态，以及通过低压端信号 LD来控制低压端驱动级250的输出信号PL也为低态。
当低压端供应电源VM大于或等于此默认值时，如步骤S430，输入逻辑电 路210直接将通过信号输入端HI、 LI所接收到的输入信号转换成高压端信号 HD及低压端信号LD，并且分别将高压端信号HD传送至高压电压位准转换器 220，以及将低压端信号LD传送至低压电压位准转换器230。
接着，如步骤S440，高压电压位准转换器220会利用其内部的电路结构， 来转换高压端信号HD的电压操作位准，也就是根据高压端信号HD的状态，来 决定输出至高压端驱动级240的两个反相的高压端输出控制信号HH及HL的状 态，以进一步决定高压端最后输出的输出信号PH的状态。
而另一方面，如步骤S440，低压电压位准转换器230也会利用其内部的 电路结构，来转换低压端信号LD的电压操作位准，也就是根据低压端信号LD 的状态，来决定输出至低压端驱动级250的低压端输出控制信号LX的状态，以进一步决定低压端最后输出的输出信号PL的状态。此外，此时低压端输出
控制信号LX因为是用以开启或关闭驱动级输出组件251及252，理论上可以 运作于VSS VM的范围之内。
由于高压端输出控制信号HH传送至高压端驱动级240的驱动级输出组件 241，用以控制驱动级输出组件241的开关切换；而高压端输出控制信号HL 则传送至高压端驱动级240的驱动级输出组件242，用以控制驱动级输出组件 242的开关切换。另外一方面，低压端输出控制信号LX传送至低压端驱动级 250的驱动级输出组件251及252，用以控制驱动级输出组件251及252的开 关切换。
因此，如步骤S450，高压端驱动级240将根据高压端输出控制信号冊及 HL的状态，来决定相对应的驱动级输出组件241、 242的开关切换，以控制高 压端的输出信号ra为高态或低态；低压端驱动级250将根据低压端输出控制 信号LX的状态，来决定驱动级输出组件251、 252的开关切换，以控制低压端 的输出信号PL为高态或低态。
当高压端输出控制信号HH为低态，而高压端输出控制信号HL为高态时， 高压端输出控制信号HH会使驱动级输出组件241导通，高压端输出控制信号 HL则会使驱动级输出组件242截止。因此，此时的高压端的输出为高态，也 就是输出信号PH等于电压位准VB。
当高压端输出控制信号HH为高态，而高压端输出控制信号HL为低态时， 高压端输出控制信号HH会使驱动级输出组件241截止，高压端输出控制信号 HL则会使驱动级输出组件242导通。因此，此时的高压端的输出系为低态， 也就是输出信号PH等于电压位准VS。
当低压端输出控制信号LX为低态时，低压端输出控制信号LX会使驱动级 输出组件251导通，同时低压端输出控制信号LX也会使驱动级输出组件252 截止。因此，此时的低压端的输出为高态，也就是输出信号PL等于电压位准 VM。
当低压端输出控制信号LX为高态时，低压端输出控制信号LX会使驱动级 输出组件251截止，同时低压端输出控制信号LX也会使驱动级输出组件252 导通。因此，此时的低压端的输出为低态，也就是输出信号PL等于电压位准 VSS。由上述的栅极驱动电路20的结构及其栅极驱动方法可知，本发明内容利
用高压电压位准转换器220，直接将输入端(输入逻辑电路210)的高压端控 制信号的电压操作位准范围由VCC至VSS转换为VB至VSS,再根据高压电压 位准转换器转换后的信号，来控制高压端驱动级240产生高压端的输出信号， 而且该输出信号的电压操作位准范围为VB至VS;同时利用低压电压位准转换 器230，将输入端(输入逻辑电路210)的低压端控制信号的电压操作位准范 围由VCC至VSS转换至VM至VSS ，再根据低压电压位准转换器转换后的信号， 来控制低压端驱动级250产生低压端的输出信号，而该输出信号的电压操作位 准范围为VM至VSS。如此一来，由于不必要的组件已完全被省略，此栅极驱 动电路20将可大幅降低电路组件的使用，因而减少成本的耗费。
根据本发明的栅极驱动电路的特性，其可以应用于驱动三相马达，如图5 所示，栅极驱动电路50利用驱动器51、 52及53来分别提供驱动信号给推动 三相马达的N型功率金属氧化半导体场效晶体管的栅极，使三相马达转动。
本发明内容所提供的优点在于，直接利用电压位准转换器将输入端的电压 位准范围转换，以降低电路组件的使用，并减少成本的耗费。
本发明内容所提供的另一优点在于，高压端采用串接的PM0S来作为驱动 级输出组件，以避免在一般高压制作过程下，串接的PM0S连接至NM0S时， NM0S基板端与源极端之间所产生的高电压差所造成的基体效应。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这 些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
1权利要求
1、一种栅极驱动电路，其特征在于，包含一输入逻辑电路，具有一高态电压位准及一低态电压位准；一电压位准转换器，连结于该输入逻辑电路，对该输入逻辑电路所提供的信号，进行电压操作位准的转换；及一驱动级，连结于该电压位准转换器，该驱动级包含串接的两个P型金属氧化半导体场效晶体管，以根据该电压位准转换器转换的结果，来控制该栅极驱动电路的一输出信号的状态。
2、 根据权利要求l所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述的电压位准 转换器的转换结果使该电压位准转换器的一高态电压位准高于该输入逻辑电 路的高态电压位准，并使该电压位准转换器的一低态电压位准等于该输入逻辑 电路的低态电压位准。
3、 一种栅极驱动电路，其特征在于，包含一输入逻辑电路，具有一高态电压位准及一低态电压位准； 一电压位准转换器，连结于该输入逻辑电路，对该输入逻辑电路所提供的信号，进行电压操作位准的转换，使该电压位准转换器的一高态电压位准高于该输入逻辑电路的高态电压位准，并使该电压位准转换器的一低态电压位准等于该输入逻辑电路的低态电压位准；及一驱动级，连结于该电压位准转换器，以根据该电压位准转换器转换的结果，来控制该栅极驱动电路的一输出信号的状态。
4、 一种栅极驱动电路，其特征在于，包含 一输入逻辑电路；一高压端，连结于该输入逻辑电路，包含一高压电压位准转换器，对该输入逻辑电路所提供的信号，进行电压操作位准的转换；以及一高压端驱动级，连结于该高压电压位准转换器，用以通过该高压电压位 准转换器转换的结果，来控制该高压端的一输出信号的状态；及一低压端，连结于该输入逻辑电路，包含一低压电压位准转换器，对该输入逻辑电路所提供的信号，进行电压操作位准的转换；以及一低压端驱动级，连结于该低压电压位准转换器，用以通过该低压电压位 准转换器转换的结果，来控制该低压端的一输出信号的状态。
5、 根据权利要求4所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述的高压端驱 动级包含串接的两个P型金属氧化半导体场效晶体管，其中高压端驱动级的其 中一个P型金属氧化半导体场效晶体管用以控制该高压端驱动级输出高态，而 另一P型金属氧化半导体场效晶体管则用以控制该高压端驱动级输出低态。
6、 根据权利要求4所述的栅极驱动电路，其特征在于，所述的低压端驱 动级包含一P型金属氧化半导体场效晶体管及一N型金属氧化半导体场效晶体 管，其中该P型金属氧化半导体场效晶体管用以控制该低压端驱动级输出高 态，而该N型金属氧化半导体场效晶体管则用以控制该低压端驱动级输出低 态。
7、 根据权利要求4所述的栅极驱动电路，其特征在于，还进一步包含一 低电压检测器，其连结于该输入逻辑电路，用以监控该低压端供应电源的位准， 而当该低压端供应电源的位准低于一默认值时，该低电压检测器强制该高压端 驱动级及该低压端驱动级的输出呈现低态。
8、 一种栅极驱动方法，其特征在于，用以控制一栅极驱动电路的输出信 号的状态，该方法包含输入一输入信号，该输入信号具有一高态电压位准及一低态电压位准； 转换该输入信号，以产生至少一高压端输出控制信号及至少一低压端输出 控制信号，该高压端输出控制信号以及该低压端输出控制信号的一高态电压位 准均高于该输入信号的高态电压位准，且该高压端输出控制信号以及该低压端 输出控制信号的一低态电压位准均等于该输入信号的低态电压位准；根据该高压端输出控制信号来控制该栅极驱动电路的一高压端的输出；以及根据该低压端输出控制信号来控制该栅极驱动电路的一低压端的输出。
9、 根据权利要求8所述的栅极驱动方法，其特征在于，还进一步包含随 时检测该低压端的供应电源的位准，以进一步产生一控制信号来控制转换该输 入信号的动作，而当该低压端供应电源的位准小于一默认值，则强制使该高压 端及该低压端的输出为低态。
10、根据权利要求8所述的栅极驱动方法，其特征在于，根据该高压端输 出控制信号来切换该栅极驱动电路的该高压端输出路径，以决定该高压端的输 出为高态或低态，并且根据该低压端输出控制信号来切换该栅极驱动电路的该 低压端输出路径，以决定该低压端的输出为高态或低态。
全文摘要
本发明公开了一种栅极驱动电路及其驱动方法，在直接利用电压位准转换器将输入端信号的电压操作位准范围转换，以降低电路组件的使用，并减少成本的耗费，并且在高压端驱动级输出组件采用串接的P型金属氧化半导体场效晶体管来作为开关切换，以避免在一般的高压制作过程中产生基体效应。
文档编号H03K19/0185GK101442302SQ20071018771
公开日2009年5月27日 申请日期2007年11月20日 优先权日2007年11月20日
发明者刘温良, 张逸泰, 陈俊雄 申请人:盛群半导体股份有限公司