专利名称：用于高压集成电路的电平转换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于高压集成电路的电平转换电路，特别是高压集成电路HVIC 中将信号从低压区传到高压区的电路设计，该电平转换电路还涉及到高压集成电路中的高压DMOS技术。
背景技术：
高压集成电路是一种带有欠压保护、逻辑控制等功能的栅极驱动电路，它将电力电子与半导体技术结合，逐渐取代传统的分立元件，越来越多地被应用在IGBT、大功率 MOSFET的驱动领域。高压集成电路有低压区和高压区，在高压集成电路工作过程中，其高压区的最低电平需要在ο 600V或0 1200V之间进行高速切换，由于寄生电容CM的存在，寄生电容的电压在跟随切换时需要一段充电时间，此充电过程会引起高压集成电路的输出异常。参见图1，为现有应用于高压集成电路的内部结构及外围元件接法图。高压集成电路100由脉冲发生电路101、高压DMOS管102、高压DMOS管103、下桥臂控制电路118、高压区104组成，图1中还给出了高压DMOS管102的漏-源寄生电容122， 高压DMOS管103的漏-源寄生电容123。信号输入125通过高压集成电路100的输入端IN分别进入脉冲发生电路101和下桥臂控制电路118，脉冲发生电路101的第一输出端A连接高压DMOS管102的栅极，脉冲发生电路101的第二输出端B连接高压DMOS管103的栅极；脉冲发生电路101和下桥臂控制电路118由低压区供电电源124供电，低压区供电电源124的正端记为VCC，低压区供电电源124的负端记为GND ；高压DMOS管102的衬底与源极相连并接到GND，高压DMOS管102的漏极进入高压区 104 ；高压DMOS管103的衬底与源极相连并接GND，高压DMOS管103的漏极进入高压区 104 ；高压DMOS管102的漏极在高压区104内连接电阻106的一端、二极管105的阴极和非门107的输入端；高压DMOS管103的漏极在高压区104内连接电阻109的一端、二极管108的阴极和非门110的输入端；二极管105的阳极和二极管108的阳极分别接高压区104的最低电位VS ；电阻106和电阻109的另一端分别接高压区104的最高电位VB ；非门107的输出端和非门110的输出端分别进入上桥臂控制电路116的第一输入
端和第二输入端；上桥臂控制电路116由高压区104供电电源119供电，高压区104供电电源119的正端记为VB，高压区104供电电源119的负端记为VS ；
下桥臂控制电路118的输出端LO连接高压IGBT管121的栅极，上桥臂输出端HO连接高压IGBT管120的栅极；高压IGBT管121的射极与GND相连，高压IGBT管121的集电极与高压IGBT管120的射极相连并连接到VS ；高压IGBT管120的集电极接600V或1200V高压源P。所述脉冲发生电路101的作用是(1)在信号输入的上升沿脉冲发生电路101的第一输出端A产生一个窄脉冲，脉冲发生电路101的第二输出端B保持低电平；(2)在信号输入的下降沿脉冲发生电路101的第一输出端A保持低电平；脉冲发生电路101的第二输出端 B产生一个窄脉冲；(3)信号输入保持在高电平或低电平脉冲发生电路101的第一输出端A和第二输出端B保持低电平。所述下桥臂控制电路118的作用是在其输出端LO产生与信号输入反相的信号。所述上桥臂控制电路116的作用是(1)当非门110的输出为低电平、非门107的上升沿可使HO变为高电平；(2)当非门107的输出为低电平、非门110的上升沿可使HO变为低电平；(3)当非门107和非门110的输出保持在低电平或高电平，HO保持原来的状态不变。图1所示的高压集成电路的工作原理如下工作状态(1)高压集成电路初始上电工作，信号输入125起始为低电平时，所述下桥臂控制电路118的输出端LO为高电平，所述高压IGBT管121导通；VS电位与GND几乎相同；所述脉冲发生电路101的第一输出端A和第二输出端B为低电平，高压DMOS管102 和高压DMOS管103同时截止，所述高压DMOS管102和高压DMOS管103的漏极的电位与VB 几乎一致，即高压区104内的非门107和非门110的输入端同时为高电平，则所述非门107 和非门110的输出端同时为低电平；所述上桥臂控制电路116的输出保持原来的状态不变， 高压集成电路初始上电时一般会先将HO置位成低电平，因此上桥臂控制电路116此时的输出为低电平，即其电压和VS几乎一致，因此高压IGBT管120截止。工作状态(2)当信号输入125从低电平变成高电平时，所述下桥臂控制电路118 的输出端LO从高电平变为低电平，高压IGBT管121从导通变成截止；所述脉冲发生电路 101的第一输出端A在信号输入的上升沿产生一个窄脉冲信号，脉冲发生电路101的第二输出端B保持低电平，第一输出端A的信号使高压DMOS管102导通、而高压DMOS管103保持截止；由于二极管105的钳位作用，所述高压DMOS管102的漏极电压与VS几乎相同，即所述非门107的输入为低电平、非门107的输出为高电平；而高压DMOS管103的漏极的电压仍然保持与VB几乎一致，所述非门110的输入为高电平、非门110的输出为低电平；所述上桥臂控制电路116输出为高电平，即HO电压几乎与VB相同，所述高压IGBT管120从截止变成导通；VS的电位从GND迅速变化成P。工作状态(3)当信号输入125保持高电平时，所述下桥臂控制电路118的输出端LO保持低电平，高压IGBT管121保持截止；所述脉冲发生电路101的第一输出端A和第二输出端B同为低电平，所述高压DMOS管102和高压DMOS管103保持截止；所述非门107和非门110的输入为高电平、输出为低电平；所述上桥臂控制电路116输出保持高电平，HO电压仍几乎与VB相同，所述高压IGBT管120保持导通；VS的电位保持为P。工作状态(4)当信号输入125从高电平变成低电平时，所述下桥臂控制电路118 的输出端LO从低电平变为高电平，高压IGBT管121从截止变成导通；所述脉冲发生电路 101的第一输出端A为低电平、脉冲发生电路101的第二输出端B在信号输入的下降沿产生一个窄脉冲信号，高压DMOS管102保持截止，而第二输出端B的信号使高压DMOS管103导通；所述高压DMOS管102的漏极的电压仍然保持与VB几乎一致，所述非门107的输入为高电平、输出为低电平，而由于二极管108的钳位作用，所述高压DMOS管103的漏极电压与VS 几乎相同，即所述非门110的输入为低电平、输出为高电平；从而所述上桥臂控制电路116 输出为电平，HO电压几乎与VS相同，所述高压IGBT管120从导通变成截止；VS的电位从P 迅速变化成GND。以上各个工作状态的关键点的波形如图2所示。由于高压DMOS管寄生电容Cm的存在，高压DMOS管导通时，漏极相对于VS的电位存在一个快降慢升的过程，设与高压DMOS管漏极相连的电阻的阻值为R，则为VS充电的时间常数τ为τ = RXCm,R的设置与高压DMOS管的特性及dV/dt防止能力有关，一般为IOkQ以上，Cm的值由高压DMOS的特性决定。设与高压DMOS管漏极的非门的阈值电压为Vth，脉冲信号的时序时间、即高压DMOS管的导通时间为T4，高压DMOS管导通时漏极电压从VB降到Vth的时间为Tl、高压DMOS管关断时漏极电压从VS升到Vth的时间为T3，并记T3+T4 = T2。则(1)当信号输入的脉冲宽度T5大于T2-T1时，各点波形如图3所示，输出信号HO 的脉冲宽度T6为T6 = T5-T1+T1 = T5,即此时输出信号的脉冲宽度与信号输入的脉冲宽度一致。(2)当信号输入的脉冲宽度T5小于T2-T1时，各点波形如图4所示，虽然在信号输入的下降沿，B的高电平使D变成了低电平，但是此时的C仍小于Vth，即非门107和非门 110的输出同时为高电平，输出信号HO的电平仍未反转，直到C上升超过Vth后，输出信号 HO才发生反转，即此时的输出信号的脉冲宽度T6为T6 = T2-T1 > T5,一般来说，信号输入的有效脉冲宽度T5不能小于高压DMOS管的导通时间T4，T5 与T6的关系如图5所示，在图5中的阴影部分以外的区域，输出脉冲宽度T6与输入脉冲宽度T5 —致，在阴影部分以内的区域，输出脉冲宽度T6保持在T2-T1而不随输入脉冲宽度T5变化。根据高压集成电路的设计需要，T4与T2-T1间的差值有时会达到200ns，对于高速高压集成电路，这个输出脉冲宽度不可控的区域是有害的，特别是在驱动马达的场合，在马达开启的过程，一般为马达施加从T4开始，步长为20ns的渐长脉冲，如果一开始就为马达施加T4+200ns的脉冲，无疑会影响马达的起步过程的畅顺性并且会影响到马达的使用寿命。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种结构简单合理、操作灵活、避免在输入脉冲宽度很小时出现输出脉冲宽度固定不变的情况发生的用于高压集成电路的电平转换电路，以克服现有技术中的不足之处。按此目的设计的一种用于高压集成电路的电平转换电路，包括脉冲发生电路601、 高压DMOS管602、高压DMOS管603、下桥臂控制电路618、高压区604，其中，电容622为高压DMOS管602的寄生电容，电容623为高压DMOS管603的寄生电容，其特征是还包括位于低压区的快速充电电平转换电路611和位于高压区的快速充电电平转换电路606，输入信号625通过高压集成电路600的IN端进入脉冲发生电路601和下桥臂控制电路618，脉冲发生电路601的第一输出端A连接高压DMOS管602的栅极和快速充电电平转换电路611 的输入端，脉冲发生电路601的第二输出端B连接高压DMOS管603的栅极；脉冲发生电路 601、下桥臂控制电路618和快速充电电平转换电路611由低压区供电电源624供电，低压区供电电源624的正端记为VCC，低压区供电电源624的负端记为GND ；快速充电电平转换电路611的输出端连接快速充电电平转换电路606的输入端；高压DMOS管602的衬底与源极相连并接GND，高压DMOS管602的漏极进入高压区604 ；高压DMOS管602的漏极在高压区604内与非门607的输入端、二极管605的阴极、快速充电电平转换电路606的输出端相连；高压DMOS管603的衬底与源极相连并接GND，高压DMOS管603的漏极进入高压区604 ； 高压DMOS管603的漏极在高压区604内与非门610的输入端、二极管608的阴极、电阻609 的一端相连；二极管605和二极管608的阳极接高压区的最低电位VS ；电阻609的另一端接高压区的最高电位VB ；非门607和非门610的输出端分别进入上桥臂控制电路616的第一输入端和第二输入端；快速充电电平转换电路606和上桥臂控制电路616由高压区供电电源619供电，高压区供电电源619的正端记为VB，高压区供电电源619的负端记为VS ；下桥臂控制电路的输出端LO连接高压IGBT管621的栅极，上桥臂输出端HO连接高压IGBT 管620的栅极；高压IGBT管621的射极与GND相连、高压IGBT管621的集电极与高压IGBT 管620的射极相连并连接到VS ；高压IGBT管620的集电极接600V或1200V的高压源P。所述脉冲发生电路601的第一输出端A进入快速充电电平转换电路611中的脉冲发生电路626的输入端，脉冲发生电路626由低压区供电电源624供电；脉冲发生电路 626的第二输出端E连接高压DMOS管627的栅极，高压DMOS管627的射极与衬底相连并接 GND,高压DMOS管627的漏极进入快速充电电平转换电路606并连接PMOS管630的栅极和二极管629的阴极，PMOS管630的漏极与电阻631的一端相连，PMOS管630的栅极和射极相连并接高压区最高电位VB ；二极管629的阳极接高压区最低电位VS ；电阻631的另一端与PMOS管630的漏极相连即为快速充电电平转换电路606的输出端。本发明采用上述的技术方案后，在高压DMOS管602关断时，寄生电容622可被快速充电使非门607的输入端迅速达到高电平，从而使高压DMOS管602的电位快降快升，避免了在输入信号脉冲宽度较小时出现的输出信号宽度不变的现象，使输出信号宽度完全可控，能有效提高所驱动马达的稳定性和使用寿命。本发明具有结构简单合理、操作灵活、避免在输入脉冲宽度很小时出现输出脉冲宽度固定不变的情况发生的特点。
图1现有应用于高压集成电路的内部结构及外围元件接法图。图2现有的高压集成电路的关键点波形图。图3现有的高压集成电路在脉冲宽度较宽时各关键点波形图。图4现有的高压集成电路在脉冲宽度较窄时各关键点波形图。图5现有的高压集成电路的输入与输出脉冲宽度的关系图。图6本发明的用于高压集成电路的电平转换电路图。图7本发明的用于高压集成电路的电平转换电路具体实施例图8本发明的高压集成电路在脉冲宽度较窄时各关键点波形图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。参见图6，一种用于高压集成电路的电平转换电路，包括脉冲发生电路601、高压 DMOS管602、高压DMOS管603、下桥臂控制电路618、高压区604，以及位于低压区的快速充电电平转换电路611和位于高压区的快速充电电平转换电路606，其中，电容622为高压 DMOS管602的寄生电容，电容623为高压DMOS管603的寄生电容。输入信号625通过高压集成电路600的IN端进入脉冲发生电路601和下桥臂控制电路618，脉冲发生电路601的第一输出端A连接高压DMOS管602的栅极和快速充电电平转换电路611的输入端，脉冲发生电路601的第二输出端B连接高压DMOS管603的栅极；脉冲发生电路601、下桥臂控制电路618和快速充电电平转换电路611由低压区供电电源624 供电，低压区供电电源624的正端记为VCC，低压区供电电源624的负端记为GND ；快速充电电平转换电路611的输出端连接快速充电电平转换电路606的输入端；高压DMOS管602 的衬底与源极相连并接GND，高压DMOS管602的漏极进入高压区604 ；高压DMOS管602的漏极在高压区604内与非门607的输入端、二极管605的阴极、快速充电电平转换电路606 的输出端相连；高压DMOS管603的衬底与源极相连并接GND，高压DMOS管603的漏极进入高压区604 ；高压DMOS管603的漏极在高压区604内与非门610的输入端、二极管608的阴极、电阻609的一端相连；二极管605和二极管608的阳极接高压区的最低电位VS ；电阻 609的另一端接高压区的最高电位VB ；非门607和非门610的输出端分别进入上桥臂控制电路616的第一输入端和第二输入端；快速充电电平转换电路606和上桥臂控制电路616 由高压区供电电源619供电，高压区供电电源619的正端记为VB，高压区供电电源619的负端记为VS ；下桥臂控制电路的输出端LO连接高压IGBT管621的栅极，上桥臂输出端HO连接高压IGBT管620的栅极；高压IGBT管621的射极与GND相连、高压IGBT管621的集电极与高压IGBT管620的射极相连并连接到VS ；高压IGBT管620的集电极接600V或1200V 的高压源P。其中，脉冲发生电路601的作用是(1)在输入信号的上升沿脉冲发生电路601的第一输出端A产生一个窄脉冲，脉冲发生电路601的第二输出端B保持低电平；
(2)在输入信号的下降沿脉冲发生电路601的第一输出端A保持低电平；脉冲发生电路601的第二输出端B产生一个窄脉冲；(3)输入信号保持在高电平或低电平脉冲发生电路601的第一输出端A和第二输出端B保持低电平。下桥臂控制电路618的作用是在其输出端LO产生与输入信号反相的信号。上桥臂控制电路616的作用是(1)当非门610的输出为低电平、非门607的上升沿可使HO变为高电平；(2)当非门607的输出为低电平、非门610的上升沿可使HO变为低电平；(3)当非门607和610的输出保持在低电平或高电平，HO保持原来的状态不变。快速充电电平转换电路的功能是(1)在输入信号的下降沿，即高压DMOS管602关断时，快速充电电平转换电路在一个短时间内表现为0电阻；(2)在输入信号的其他状态下，快速充电电平转换电路表现为一个恒定的电阻值。参见图7，为将图6中的位于低压区部分的快速充电电平转换电路611和位于快速充电电平转换电路(高压区部分)606具体化后的电路图，其中，脉冲发生电路601的第一输出端A进入快速充电电平转换电路611中的脉冲发生电路626的输入端，脉冲发生电路 626由低压区供电电源624供电；脉冲发生电路626的第二输出端E连接高压DMOS管627 的栅极，高压DMOS管627的射极与衬底相连并接GND，高压DMOS管627的漏极进入快速充电电平转换电路606并连接PMOS管630的栅极和二极管629的阴极，PMOS管630的漏极与电阻631的一端相连，PMOS管630的栅极和射极相连并接高压区最高电位VB ；二极管629 的阳极接高压区最低电位VS ；电阻631的另一端与PMOS管630的漏极相连即为快速充电电平转换电路606的输出端。其中，电容628为高压DMOS管627的寄生电容，脉冲发生电路626与脉冲发生电路601功能完全一致；快速充电电平转换电路的作用如下在第一输出端A的下降沿，脉冲发生电路626的第二输出端E产生一个脉冲信号， 该信号使高压DMOS管627导通，高压DMOS管627的漏极电压迅速降低并被钳位在VS_0. 7V， PMOS管630导通从而使VB经过PMOS管630迅速向高压DMOS管602的寄生电容622充电， 为PMOS管630设计适当的宽长比，可以使PMOS管630的导通电阻Rm低至10 Ω左右，此时为寄生电容622充电的时间常数τΜ为τΜ = RmXCm,可比τ小1000倍以上，从而做到快速充电。此时，各关键点的波形如图8所示， 从A下降沿到C上升超过Vth的时间Τ7可以控制在Ins以下，输出信号宽度不随输入信号宽度改变的区域可以忽略。
权利要求
1.一种用于高压集成电路的电平转换电路，包括脉冲发生电路(601)、高压DMOS管 (602)、高压DMOS管(603)、下桥臂控制电路(618)、高压区(604)，其中，电容(622)为高压 DMOS管(602)的寄生电容，电容(623)为高压DMOS管(603)的寄生电容，其特征是还包括位于低压区的快速充电电平转换电路(611)和位于高压区的快速充电电平转换电路(606)，输入信号(625)通过高压集成电路(600)的IN端进入脉冲发生电路(601)和下桥臂控制电路(618)，脉冲发生电路(601)的第一输出端A连接高压DMOS管(602)的栅极和快速充电电平转换电路(611)的输入端，脉冲发生电路(601)的第二输出端B连接高压DMOS管(603)的栅极； 脉冲发生电路(601)、下桥臂控制电路(618)和快速充电电平转换电路(611)由低压区供电电源(624)供电，低压区供电电源(624)的正端记为VCC，低压区供电电源(624)的负端记为GND ； 快速充电电平转换电路(611)的输出端连接快速充电电平转换电路(606)的输入端； 高压DMOS管(602)的衬底与源极相连并接GND，高压DMOS管(602)的漏极进入高压区 (604)；高压DMOS管(602)的漏极在高压区(604)内与非门(607)的输入端、二极管(605)的阴极、快速充电电平转换电路(606)的输出端相连；高压DMOS管(603)的衬底与源极相连并接GND，高压DMOS管(603)的漏极进入高压区 (604)；高压DMOS管(603)的漏极在高压区(604)内与非门(610)的输入端、二极管(608)的阴极、电阻(609)的一端相连；二极管(605)和二极管(608)的阳极接高压区的最低电位VS ； 电阻(609)的另一端接高压区的最高电位VB ；非门(607)和非门(610)的输出端分别进入上桥臂控制电路(616)的第一输入端和第二输入端；快速充电电平转换电路(606)和上桥臂控制电路(616)由高压区供电电源(619)供电，高压区供电电源(619)的正端记为VB，高压区供电电源(619)的负端记为VS; 下桥臂控制电路的输出端LO连接高压IGBT管(621)的栅极，上桥臂输出端HO连接高压IGBT管(620)的栅极；高压IGBT管(621)的射极与GND相连、高压IGBT管(621)的集电极与高压IGBT管 (620)的射极相连并连接到VS ；高压IGBT管(620)的集电极接600V或1200V的高压源P。
2.根据权利要求1所述的用于高压集成电路的电平转换电路，其特征是所述脉冲发生电路(601)的第一输出端A进入快速充电电平转换电路(611)中的脉冲发生电路(626)的输入端，脉冲发生电路(626)由低压区供电电源(624)供电； 脉冲发生电路(626)的第二输出端E连接高压DMOS管(627)的栅极， 高压DMOS管(627)的射极与衬底相连并接GND，高压DMOS管(627)的漏极进入快速充电电平转换电路(606)并连接PMOS管(630)的栅极和二极管(629)的阴极，PMOS管(630)的漏极与电阻(631)的一端相连，PMOS管(630)的栅极和射极相连并接高压区最高电位VB ；二极管(629)的阳极接高压区最低电位VS;电阻(631)的另一端与PMOS管(630)的漏极相连即为快速充电电平转换电路(606) 的输出端。
全文摘要
一种用于高压集成电路的电平转换电路，包括脉冲发生电路601、高压DMOS管602、高压DMOS管603、下桥臂控制电路618、高压区604，其中，电容622为高压DMOS管602的寄生电容，电容623为高压DMOS管603的寄生电容，以及位于低压区的快速充电电平转换电路611和位于高压区的快速充电电平转换电路606，输入信号625通过高压集成电路600的IN端进入脉冲发生电路601和下桥臂控制电路618，脉冲发生电路601的第一输出端A连接高压DMOS管602的栅极和快速充电电平转换电路611的输入端。本发明具有操作灵活、避免在输入脉冲宽度很小时出现输出脉冲宽度固定不变的情况发生的特点。
文档编号H03K19/0185GK102324925SQ201110177599
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月28日 优先权日2011年6月28日
发明者冯宇翔, 华庆, 潘志坚, 程德凯, 陈超, 黄祥钧 申请人:广东美的电器股份有限公司