用于控制高側開關元件的轉換速率的電路的制作方法

本發明涉及用于控制高側開關元件的轉換速率的電路，具體涉及n溝道功率金屬氧化物半導體場效晶體管。

背景技術：

諸如功率金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)以及絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)之類的功率半導體器件可被用作用于使負載開關的開關元件(或“開關”)。

驅動器電路用于向功率半導體器件的柵極施加信號，以便使設備在OFF(關閉)和ON(開啟)狀態之間切換。可控制設備的開關速度(在本文被稱為“轉換速率”)以便足夠快地減少功率損耗，但是足夠慢以避免可能引起放射電磁干擾的高頻瞬變。

圖1是用于使負載Z開關的高側n溝道MOSFET的第一常用的驅動器電路的示意圖。MOSFET的漏極連結到正電壓源V_BAT，并且源極連接到負載的一個端子。負載的另一個端子經由低側開關元件連結到地GND。高側驅動器電路包括經由電阻器R耦合到MOSFET的柵極的可切換的電壓源。可在正供電電壓V_CP與地GND之間切換電壓源。寄生電容包括柵極-漏極電容C_GD，和柵極-源極電容C_GS。柵極-漏極電容C_GD常常被稱為“密勒電容”。轉換速率取決于電阻器和密勒電容的值。

盡管第一驅動器電路簡單且容易實施，但其經受一個或多個缺點。首先，不存在反饋環路，并且因此驅動器電路不準許轉換速率被連續地控制。此外，電阻器通常是分立組件，這可能增加材料清單。驅動器電路典型地具有大量程的轉換速率。也存在起因于密勒電容所引起的柵電荷Q_G到米勒平坦區的開始的上升的長的時間延遲以及由柵極-漏極電容C_GD引起的米勒平坦區的開始之上的柵電荷Q_G的慢的增長率。

圖2是用于使負載開關的高側n溝道MOSFET的第二常用的驅動器電路的示意圖。

第二驅動器電路使用可編程電流控制器。驅動器電路簡單且容易實施，并且允許轉換速率被連續地控制。然而，其共有第一驅動器電路的一些缺點，諸如時間延遲。

DE 103 46 307 B3描述一種用于控制與負載串聯的低側MOSFET的低側驅動器電路。電容器被連接在MOSFET的柵極與地之間。然而，像第一常用的驅動器電路一樣，該驅動器電路不準許轉換速率被連續地控制。

US 5 397 967 B描述一種用于控制高側場效晶體管的高側驅動器電路。該電路包括其輸出連接到場效晶體管的柵極的運算放大器，由此提供閉環電壓跟隨器。電容器被連接在放大器的非反相輸入與基準電勢或地之間。在放大器的非反相輸入與基準電勢或地之間，電流源與電容器并聯連接。

通過在閉環電壓跟隨器的輸入處的電壓斜升或斜降來控制轉換速率。該驅動器電路可補償寄生電容并且容忍大量程。可通過減小開始時間來優化時間。

US 6 072 289 B描述用于在電機的電機控制電路中控制轉換速率的系統，其包括耦合到電機的線圈的高側開關設備。高側轉換速率控制電路控制施加到線圈的電壓激勵信號的轉換速率。轉換速率控制電路包括：具有耦合到高側開關設備的輸入的輸出的放大器、將放大器的第一輸入耦合到地的電流吸收器、將放大器的第一輸入耦合到地的電容器以及從高側開關設備的輸出到放大器的第二輸入的反饋路徑。

US 5 589 744 B描述一種用于在換向序列中在開啟期間控制在電機線圈的轉換速率的電路。該電路包括用于將誤差放大器的輸出與輸入緩沖放大器的輸入相比較的比較器。比較器僅僅在輸入已經以受控速率被充電之后將誤差放大器的輸出連接到緩沖放大器的輸入。集成緩沖放大器包括具有反饋電容器的放大器，和連接在其輸入的電流源，用于在晶體管的開啟期間降低電壓轉換速率。

技術實現要素：

根據本發明的第一方面，提供一種用于控制負載開關中的高側開關元件(諸如nMOS晶體管)的轉換速率的電路。該電路包括：用于設置轉換速率的可變電流源；放大器，其包括耦合到基準電壓源的第一輸入、耦合到可變電流源的第二輸入以及用于驅動開關元件的信號的輸出。該電路包括從連接到或可連接到開關元件的輸出的輸入端子到放大器的第二輸入的反饋路徑。該反饋路徑包括串聯電壓差分元件，諸如串聯電容器。

可以是實施簡單且便宜的該電路可用于使用可變的電流來設置轉換速率。因此，轉換速率可根據應用而變化。

電壓差分元件可以是電容器。

開關元件可以是晶體管，優選地是功率晶體管。開關元件可以是金屬氧化物半導體(MOS)場效晶體管。開關元件可以是nMOS晶體管。開關元件可以是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。優選地在跟隨器配置中布置開關元件。

該電路可以進一步包括用于選擇性地將驅動信號鎖定在給定狀態的電路，該鎖定電路包括用于確定信號的狀態的裝置以及用于設置第二輸入處的信號電平以確保狀態被鎖定在給定狀態的裝置。

這可幫助增加對噪聲的抗擾、提供干凈的接通和斷開和/或已經切換到ON或OFF狀態，減少功率損耗。

該電路可以進一步包括位于差分放大器的輸出與連接到或可連接到開關元件的控制電極的電路輸出之間的非反相緩沖器。

該電路可以進一步包括置于電路輸入和電壓差分元件之間的預定標器。

根據本發明的第二方面，提供一種集成電路，其包括：至少一個電路，和控制邏輯，其被配置為設置用于該電路或者每個電路的可變電流源的電流。

該集成電路可以是專用集成電路(ASIC)。

根據本發明的第三方面，提供一種系統，其包括：至少一個電路或集成電路以及具有控制電極和輸出的至少一個高側開關元件。該電路或者每個電路被配置為控制相應的開關元件，憑此差分放大器的輸出耦合到控制電極，并且開關元件的輸出耦合到電路輸入。

該系統可以進一步包括至少一個負載，每個負載連接到相應的開關元件。該負載可以是電機的定子線圈。該負載可以是線圈或繼電器或螺線管。該負載可以是加熱元件。

該系統可以包括兩個、三個或更多電路。因而，該系統可用于控制多相負載，諸如三相電機。

根據本發明的第四方面，提供一種使用電路來控制負載開關中的高側開關元件的轉換速率的方法，該方法包括使用可變電流源來設置電流。

根據本發明的第五方面，提供一種計算機程序，計算機程序在由控制器執行時使該控制器執行該方法。

根據本發明的第六方面，提供一種承載或存儲計算機程序的計算機可讀媒介(其可以是非暫時型的)。

附圖說明

現在將參考附圖的圖3至圖5b通過示例來描述本發明的某些實施例，在附圖中：

圖1是第一驅動器電路和開關元件的示意圖；

圖2是第二驅動器電路和開關元件的示意圖；

圖3是用于控制和驅動一個或多個負載的系統的框圖；

圖4是負載、負載開關和高側柵極驅動器的示意圖；以及

圖5a和5b是示意地圖示出使用圖4中示出的高側柵極驅動器時、負載兩端的輸出電壓隨著時間的變化的時間圖。

具體實施方式

參考圖3，示出了用于控制和驅動一個或多個負載2的系統1。負載2例如可以是電機中的線圈、螺線管或繼電器中的線圈、加熱元件或具有復阻抗Z的其他形式的負載。系統1可被用于控制三相電機——即，具有三個負載2的電機，或者其他類型的多相設備。

系統1包括諸如微控制器的控制器3、前置驅動器集成電路(IC)4和用于該負載2或者每個負載2的負載開關5。

負載開關5包括高側開關元件6，高側開關元件6采用n溝道功率金屬氧化物半導體場效晶體管(MOSFET)(在本文也被稱為“nMOSFET”或簡稱為“nMOS晶體管”)的形式。

nMOS晶體管6可以是分立組件或可以被集成到負載開關IC中或被集成到前置驅動器IC 4中。nMOS晶體管6被配置為源極跟隨器。nMOS晶體管6的漏極D連結到來自電池(未示出)的正電壓供電V_BAT，并且源極S連接到負載2的第一供電側端子7。負載2的第二端子8經由低側開關元件9連接到地GND。正電壓供電不是必須由電池來提供，而可以是從干線供電或其他類型的供電提供。

前置驅動器IC 4包括控制邏輯10和高側柵極驅動器電路11。高側驅動器電路11具有連接到nMOS晶體管6的柵極G的驅動器輸出12以及連接到在或位于nMOS晶體管6的源極S和供電側端子7之間的抽頭14的反饋輸入13。抽頭14測量nMOS晶體管6的輸出，即，出現在負載2兩端的驅動器輸出電壓V_OUT。

高側柵極驅動器11

參考圖4，更詳細地示出了負載2、負載開關5和高側柵極驅動器11。

如較早解釋地，nMOS晶體管6的漏極D連結到正電壓供電V_BAT，并且源極S連接到負載2的第一端子7。負載2的第二端子8經由低側開關元件6連接到地GND。

通過具有非反相輸入和反相輸入以及輸出18的差分放大器15(在本文被稱為“驅動差分放大器”)來驅動nMOS晶體管6。

電壓源19被連接在地與放大器15的非反相輸入之間并且向驅動差分放大器15提供固定參考電壓V_ref。

高側柵極驅動器11包括由控制邏輯10(圖3)控制的可編程電流源20。可編程電流源20包括布置在電源線V_DD和地GND之間的第一電流源21、第一開關22、第二開關23和第二電流源24。可編程電流源20能夠提供具有正負斜率的可變電流。可編程電流源20經由節點25向驅動差分放大器15的反相輸入提供控制電流i_CTRL。

高側柵極驅動器11包括經由節點25、位于反饋輸入13與驅動差分放大器15的反相輸入之間的反饋路徑26。路徑26包括串聯電壓差分元件27。電壓差分元件27采取電容器27的形式。然而，可使用其他形式的電壓差分元件27，諸如信號處理器(未示出)。使用信號處理器(未示出)作為電壓差分元件27可允許電壓差分元件27的屬性變化。

高側柵極驅動器11可以包括可選的電路28，用于選擇性地將輸出18處的驅動信號鎖定到HIGH——即ON，或者LOW——即OFF。電平鎖定電路28包括具有相應的非反相和反相輸入以及相應的輸出36、37的第一和第二差分放大器29、30。每個非反相輸入連接到差分放大器15的輸出18，并且每個反相輸入連接到相應的電壓源38、39。電壓源38、39提供分別用于ON和OFF狀態的箝位閾值。第一電壓源38的箝位閾值略低于ON電壓電平(例如約100mV)，并且第二電壓閾值39的箝位閾值略高于OFF電壓電平(例如約100mV)。第一和第二差分放大器29、30分別被用于確定驅動信號是ON還是OFF。

鎖定電路28包括第一和第二二輸入與門40、41。第一差分放大器29的輸出36和第二差分放大器30的輸出37連接到與門40、41的相應的第一輸入。控制邏輯10(圖3)向與門40、41的相應的第二輸入提供控制信號OFF、ON。與門40、41具有相應的輸出42、43，用于控制在正供電軌2×V_ref與地GND之間以圖騰柱配置被布置并且具有連接到電容器27和節點25之間的反饋路徑26的抽頭46的第一開關44和第二開關45。V_ref可例如是在1.2V周圍的帶隙電壓。然而，V_ref可采用其他值。

高側柵極驅動器11可以包括位于驅動差分放大器15的輸出18和驅動輸出15之間的可選非反相緩沖器47。非反相緩沖器47可以包括在正供電軌V_CP和地GND之間以推挽配置布置的nMOS晶體管48和pMOS晶體管49。非反相緩沖器47包括電阻旁路50以幫助最終建立正確的柵電壓。電阻旁路50采取電阻器的形式。

高側柵極驅動器11可以包括連接在反饋輸入13和電容器27之間的可選預定標器51。預定標器51可用于使驅動器輸出電壓V_OUT降壓。預定標器51可采取分壓器的形式。

高側柵極驅動器11也可以包括位于驅動器輸出12和反饋輸入13之間的開關52。該開關可用于幫助確保低位值歐姆柵極短路以用于提高EMC抗擾。開關52可采取nMOS柵源的形式。該開關可由門輸出42來控制。

操作

參考圖3、4、5a和5b，現在將更詳細地描述轉換速率控制。

經由前置驅動器控制邏輯10，控制器3用于設置期望的轉換速率。期望的轉換速率取決于負載(例如，電機線圈、加熱元件等等)的使用和類型并且牽涉考慮電磁發射水平和功率消耗。

在開啟期間，通過以下公式(1)給出驅動器輸出電壓V_OUT，即

V_OUT≈(1/C_FB)∫i_CTRL dt (1)

在提供控制電流i_CTRL時，向nMOS晶體管6的柵極施加驅動信號并且柵電荷Q_G增加。可通過以下公式(2)來近似驅動器輸出電壓的變化速率，即，轉換速率，即：

dV_OUT/dt≈(1/C_FB)i_CTRL (2)

縱然電容器27的值是固定的，也可使用可編程電流源20來設置轉換速率。如果使用信號處理器或其他形式的可變和/或可編程電壓差分元件27，那么電容C_FB的值不必是固定的，并且因此可使用電壓差分元件27可變地設置轉換速率。

圖5a和圖5b示意地圖示出驅動器輸出電壓V_OUT關于來自控制邏輯10的控制信號OFF和ON的行為。

參考圖3、4和5a，控制邏輯10使控制信號ON從低切換至高。這使可編程電流源20向驅動差分放大器15的反相輸入提供正控制電流i_CTRL。在驅動器輸出電壓V_OUT開始上升到正供電軌電壓V_BAT的10％之前，存在傳播延遲t_start。此后，通過(1/C_FB)i_CTRL來定義輸出電壓V_OUT的增長率。在流逝的時間t_slope之后，輸出電壓達到正供電軌電壓V_BAT的90％。

如果使用鎖定電路28，那么一旦差分放大器輸出18超過上箝位閾值電壓電平，然后電路28鎖定輸出18，并且因此鎖定驅動器輸出電壓V_OUT。

控制邏輯10然后可使控制信號ON從高切換至低。

類似的處理用于使負載開關5切換為斷開。

參考圖3、4和5b，控制邏輯10使控制信號OFF從低切換至高。這使可編程電流源20向驅動差分放大器15的反相輸入提供負控制電流i_CTRL。在驅動器輸出電壓V_OUT開始下降10％之前，存在傳播延遲t_start。此后，通過(1/C_FB)i_CTRL來定義輸出電壓V_OUT的降低率。在流逝的時間t_slope之后，輸出電壓達到正供電軌電壓V_BAT的10％。

如果使用鎖定電路28，那么一旦差分放大器輸出18降到上箝位閾值電壓電平之下，然后電路28鎖定輸出18，并且因此鎖定驅動器輸出電壓V_OUT。

控制邏輯10然后可使控制信號OFF從高切換至低。

如果系統1包括具有多個負載2的多相設備，那么為每個開關元件5提供高側柵極驅動器11。因此，對于三相電機，提供三個高側柵極驅動器11。可以在相同的前置驅動器IC 4中提供多個柵極驅動器11。每個柵極驅動器11可以被提供相應的控制邏輯10或可以共享相同的控制邏輯10。

高側柵極驅動器11可具有一個或多個優點。

高側柵極驅動器11不易受nMOS晶體管參數的變化和速率的影響，并且因此可被用于更多種類的nMOS晶體管。其也可用于更多種類的開關式負載。通過可變電流源20，例如考慮負載阻抗、電池電壓和激勵晶體管參數，可根據特定應用對轉換速率進行編程并且可根據負載狀態調整轉換速率。可在前置驅動器IC中容易地實施高側柵極驅動器11。與已知的標準柵極電流控制的驅動器解決方案相比，本發明優化橋接配置中的非重疊時間，并且由此優化功率效率。

將理解的是，可以對以上描述的實施例作出許多修改。

可使用可作為跟隨器類型行為的其他開關元件6，即，其中開關元件6的輸出節點跟隨開關元件6的輸入節點。例如，可以使用IGBT。

開關負載可以包括低側n-MOS晶體管，并且前置驅動器IC 4可以包括用于低側n-MOS晶體管的低側柵極驅動器。