CN109951059A - 一种自举电压线路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自举电压线路，采用低压二极管、高耐压场效应晶体管替代自举二极管，还包括栅极开启电压产生器；当自举电压线路的上臂线路电源电压Vb小于下臂电路的电源电压Vcc时，所述栅极开启电压产生器的输出电压让高耐压场效应晶体管处于开启状态，Vcc通过低压二极管与高耐压场效应晶体管对Vb电压充电；当自举电压线路的上臂线路电源电压Vb大于或接近下臂电路的电源电压Vcc时，所述高耐压场效应晶体管处于关断状态。上述的自举电压线路，采用工艺厂既有的器件来设计，来达到取代外置自举二极管功能的目的。

Description

一种自举电压线路

技术领域

本发明涉及单相或三相栅极驱动技术领域，具体涉及一种自举电压线路。

背景技术

如图1所示为典型的使用外置自举二极管产生供给上臂线路电压电源的电路图，包括自举二极管、下臂电源电压的稳压电容(Vcc对COM)、上臂电源电压的稳压电容(Vb对Vs)、输入控制信号(HIN、LIN)、输出栅极驱动信号(HO、LO)、上臂功率管、下臂功率管、高压驱动电源(例如600V电源电压)。输入控制信号(HIN、LIN)控制输出驱动信号(HO、LO)，输出栅极驱动信号(HO、LO)驱动上臂功率管与下臂功率管的栅极，借此控制功率管的开启或关断。

如图2所示为典型栅极驱动内部模块电路图，包含下臂线路和上臂线路。下臂线路负责接收输入控制信号，然后根据输入控制信号(HIN、LIN)，输出下臂栅极驱动信号(LO)，并且透过高压电平位移线路(HV level shifter)将输入控制信号传递到上臂线路。下臂线路的电源与地分别为Vcc与COM。上臂线路负责将高压电平位移线路传递的信号解调，然后输出上臂栅极驱动信号(HO)，上臂线路的电源与地分别为Vb与Vs，而且会随上下臂功率管开启或关断而变动(浮地架构)。

以单相马达驱动为例，其典型应用，上臂与下臂功率管分两个工作阶段(时期)。先假设下臂线路的电源电压Vcc固定为15V不变，地COM固定为0V不变，上臂功率管的漏端DRAIN(如图例)供应电压为600V。第一个工作阶段，下臂功率管开启，上臂功率管关断，这个时候，上臂线路的地(VS)接近0V，Vcc透过外置自举二极管对Vb充电，此时自举二极管为正向偏压，Vb接近15V。第二个工作阶段，下臂功率管关断，上臂功率管开启，这个时候，上臂线路的地(VS)被上臂功率管往上拉接近上臂功率管供应电压600V，Vcc不对Vb充电，因为此时自举二极管为反向偏压，Vb会略微下降，因为需要对上臂线路提供电源，下降幅度由上臂线路功耗与Vb、Vs之间的稳压电容值等参数来决定，此时Vb接近615V。第一个工作阶段与第二个工作阶段会一直重复交替出现，使得上臂线路的电源与地可以得以充电完善并且供应电源给上臂线路，这也是外置自举二极管主要的功能，正向偏压时提供充电，反向偏压时防止漏电，防止被反向偏置高压击穿。

由于，市场上越来越多采用集成自举二极管到栅极驱动芯片里面，取代外置自举二极管，来降低成本。此集成自举二极管多为整合组件制造商(Integrated DeviceManufacturer，俗称IDM)自行开发的器件。一般没有自己的晶圆厂，也被称为Fabless的IC设计厂，没有来源可以取得此集成自举二极管器件。

发明内容

本发明所要解决的主要技术问题是提出一种取代外置自举二极管功能的自举电压线路，采用工艺厂既有的器件来设计，来达到集成自举功能到栅极驱动芯片里面的目的。

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种自举电压线路，采用低压二极管、高耐压场效应晶体管替代自举二极管，还包括栅极开启电压产生器；当自举电压线路的上臂线路电源电压Vb小于下臂电路的电源电压Vcc时，所述栅极开启电压产生器的输出电压让高耐压场效应晶体管处于开启状态，Vcc通过低压二极管与高耐压场效应晶体管对Vb电压充电；当自举电压线路的上臂线路电源电压Vb大于或接近下臂电路的电源电压Vcc时，所述高耐压场效应晶体管处于关断状态。

在一较佳实施例中：所述低压二极管正极连接到Vcc，低压二极管的负极连接到高耐压场效应晶体管的源端，高耐压场效应晶体管的漏端连接到Vb；

所述栅极开启电压产生器的输出连接到高耐压场效应晶体管的栅端，栅极开启电压产生器的输入为一高频时钟信号。

在一较佳实施例中：所述栅极开启电压产生器的输出电压接近2倍Vcc电压。

在一较佳实施例中：所述栅极开启电压产生器为电荷泵线路，其包括串联连接在Vcc和高耐压场效应晶体管栅极之间的第一二极管和第二二极管；所述第一二极管的阴极与高频时钟输入信号之间连接有第一电容，第二二极管的阴极与Vcc之间连接有第二电容。

在一较佳实施例中：所述栅极开启电压产生器为电荷泵线路，其包括串联连接在Vcc和高耐压场效应晶体管栅极之间的第一NMOS管和第二NMOS管；所述第一NMOS管的漏极的与高频时钟输入信号之间连接有第一电容，第二NMOS管的漏极与Vcc之间连接有第二电容；

所述第一NMOS管的栅极与源极相连，第二NMOS管的栅极与源极相连。

在一较佳实施例中：所述栅极开启电压产生器为电荷泵线路，其包括串联连接在Vcc和高耐压场效应晶体管栅极之间的第一PMOS管和第二PMOS管；所述第一PMOS管的源极和栅极连接，并且通过第一电容与高频时钟输入信号连接，第二PMOS管的源极和栅极连接，并通过第二电容与Vcc连接。

在一较佳实施例中：所述栅极开启电压产生器内部还具有比较器及参考电压Vref，根据参考电压Vref透过比较器来控制栅极开启电压产生器的输出电压值。

在一较佳实施例中：还包括钳位线路与第二栅极开启电压产生器，钳位线路的输入来自第二栅极开启电压产生器，作为钳位电压的基准参考电压；

钳位线路的输出接到高耐压场效应晶体管的栅端。

本发明提供的一种自举电压线路，采用工艺厂既有的高耐压NMOS驱动管与低耐压的二极管或寄生二极管，加上适当的高耐压NMOS驱动管的栅极驱动电压，来取代外置自举二极管，达到降低成本目的，并且解决内置自举二极管取得不易的困难。

附图说明

图1是本发明背景技术，外置自举二极管典型应用图术。

图2是本发明背景技术，典型栅极驱动内部模块电路图。

图3是本发明背景技术，高耐压NMOS驱动管与低耐压的二极管线路图。

图4为本发明优选实施例的模块图。

图5是本发明优选实施例1的电路图。

图6是本发明优选实施例2的电路图。

图7是本发明优选实施例3的电路图。

图8是本发明优选实施例4的电路图。

图9是本发明优选实施例5的模块图。

图10是本发明优选实施例5的电路图。

具体实施方式

为了使本发明技术方案更加清楚，现将本发明结合实施例和附图做进一步说明。

首先先描述一种背景技术，同样采用高耐压NMOS驱动管与低耐压的二极管的线路，如图3所示，高耐压NMOS驱动管与低耐压的二极管线路图，一个高耐压自举场效应晶体管(bootstrap FET),其漏端连接到BOOT(也就是Vb)，其源端连接到二极管的负极，此二极管正极连接到Vcc。自举场效应晶体管(bootstrap FET)的栅极则由下方虚线内部的线路来驱动，虚线内部的线路包含一个反相器、一个二极管和一个电容。反相器的输出为高电平时，自举场效应晶体管(bootstrap FET)为开启状态。反相器的输出为低电平时，自举场效应晶体管(bootstrap FET)为关断状态。反相器的输入信号与控制上臂与下臂功率管的控制信号HVG和LVG需要同步，需要关注它们之间的延时差异，才能充分使用前述第一个工作阶段的充电时间，设计线路相对于复杂。其工作原理为，在第一个工作阶段，自举场效应晶体管(bootstrap FET)开启，Vcc透过低耐压的二极管，经过开启的自举场效应晶体管(bootstrap FET)对BOOT(Vb)充电。在第二个工作阶段，此时高耐压自举场效应晶体管(bootstrap FET)关闭，因此本来是外置高耐压自举二极管来做高压反向偏压时防止漏电，防止被击穿的功能，这个时候改由关闭的高耐压自举场效应晶体管来扮演。连接到自举场效应晶体管源端的低压二极管，因为自举场效应晶体管处于关断状态下，并不会遭遇到高压冲击。

实施例1

作为对前述现有技术的改进，本实施例提供了自举电压线路，以下先以图4的模块说明其组成元件及其连接关系。图4的模块其组成元件包含低压二极管、高耐压场效应晶体管与栅极开启电压产生器。低压二极管正极连接到Vcc，二极管的负极连接到高耐压场效应晶体管的源端，高耐压场效应晶体管的漏端连接到Vb，其提供上臂线路的电源电压。

栅极开启电压产生器的输出连接到高耐压场效应晶体管的栅端，栅极开启电压产生器的输入为一高频时钟信号。栅极开启电压产生器的输出为Vcc加上可以开启高耐压场效应晶体管开启的电压，本实施例中为15V+5V＝20V，此电压基本维持一个稳态不变化。

因此，当Vb电压小于Vcc电压，此时高耐压场效应晶体管处于开启状态，Vcc透过低压二极管与高耐压场效应晶体管对Vb充电。当Vb电压被抬起大于或接近Vcc，此时高耐压场效应晶体管自然进入关断状态，同时防止低压二极管被高压击穿。

进一步参考图5，本实施例中，所述栅极开启电压产生器为电荷泵线路，其包括串联连接在Vcc和高耐压场效应晶体管栅极之间的第一二极管和第二二极管；所述第一二极管的阴极与高频时钟输入信号之间连接有第一电容，第二二极管的阴极与Vcc之间连接有第二电容。所述本实施例栅极开启电压产生器的输出电压接近2倍Vcc电压。

实施例2

参考图6，本实施例与实施例1得区别在于：所述栅极开启电压产生器为电荷泵线路，其包括串联连接在Vcc和高耐压场效应晶体管栅极之间的第一NMOS管和第二NMOS管；所述第一NMOS管的漏极的与高频时钟输入信号之间连接有第一电容，第二NMOS管的漏极与Vcc之间连接有第二电容；

所述第一NMOS管的栅极与源极相连，第二NMOS管的栅极与源极相连。

实施例3

参考图7，本实施例与实施例1得区别在于：所述栅极开启电压产生器为电荷泵线路，其包括串联连接在Vcc和高耐压场效应晶体管栅极之间的第一PMOS管和第二PMOS管；所述第一PMOS管的源极和栅极连接，并且通过第一电容与高频时钟输入信号连接，第二PMOS管的源极和栅极连接，并通过第二电容与Vcc连接。

实施例4

参考图8，本实施例与实施例1的区别在于：所述栅极开启电压产生器内部还具有比较器及参考电压Vref，根据参考电压Vref透过比较器来控制栅极开启电压产生器的输出电压值。

实施例5

高耐压场效应晶体管的漏端与栅端之间有一寄生电容，当上臂功率管开启时，Vb(BOOT)会产生一个上升沿，此上升沿会透过高耐压场效应晶体管漏端与栅端的寄生电容耦合到高耐压场效应晶体管的栅端，产生突刺。

为了解决这个问题，本实施例中，参考图9和图10，还包括钳位线路与第二栅极开启电压产生器，钳位线路的输入来自第二栅极开启电压产生器，作为钳位电压的基准参考电压；

钳位线路的输出接到高耐压场效应晶体管的栅端，以避免此栅端发生电压突刺。

所述钳位线路由比较器与NMOS管组成

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的范围不限于此，本本领域的技术人员可以容易地想到本发明所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本发明的范围内。因此，本发明的保护范围应由权利要求的范围确定。

Claims (8)

1.一种自举电压线路，其特征在于：采用低压二极管、高耐压场效应晶体管替代自举二极管，还包括栅极开启电压产生器；

当自举电压线路的上臂线路电源电压Vb小于下臂电路的电源电压Vcc时，所述栅极开启电压产生器的输出电压让高耐压场效应晶体管处于开启状态，Vcc通过低压二极管与高耐压场效应晶体管对Vb电压充电；当自举电压线路的上臂线路电源电压Vb大于或接近下臂电路的电源电压Vcc时，所述高耐压场效应晶体管处于关断状态。

2.根据权利要求1所述的一种自举电压线路，其特征在于：所述低压二极管正极连接到Vcc，低压二极管的负极连接到高耐压场效应晶体管的源端，高耐压场效应晶体管的漏端连接到Vb；

所述栅极开启电压产生器的输出连接到高耐压场效应晶体管的栅端，栅极开启电压产生器的输入为一高频时钟信号。

3.根据权利要求2所述的一种自举电压线路，其特征在于：所述栅极开启电压产生器的输出电压接近2倍Vcc电压。

4.根据权利要求3所述的一种自举电压线路，其特征在于：所述栅极开启电压产生器为电荷泵线路，其包括串联连接在Vcc和高耐压场效应晶体管栅极之间的第一二极管和第二二极管；所述第一二极管的阴极与高频时钟输入信号之间连接有第一电容，第二二极管的阴极与Vcc之间连接有第二电容。

5.根据权利要求3所述的一种自举电压线路，其特征在于：所述栅极开启电压产生器为电荷泵线路，其包括串联连接在Vcc和高耐压场效应晶体管栅极之间的第一NMOS管和第二NMOS管；所述第一NMOS管的漏极的与高频时钟输入信号之间连接有第一电容，第二NMOS管的漏极与Vcc之间连接有第二电容；

所述第一NMOS管的栅极与源极相连，第二NMOS管的栅极与源极相连。

6.根据权利要求3所述的一种自举电压线路，其特征在于：所述栅极开启电压产生器为电荷泵线路，其包括串联连接在Vcc和高耐压场效应晶体管栅极之间的第一PMOS管和第二PMOS管；所述第一PMOS管的源极和栅极连接，并且通过第一电容与高频时钟输入信号连接，第二PMOS管的源极和栅极连接，并通过第二电容与Vcc连接。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种自举电压线路，其特征在于：所述栅极开启电压产生器内部还具有比较器及参考电压Vref，根据参考电压Vref透过比较器来控制栅极开启电压产生器的输出电压值。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的一种自举电压线路，其特征在于：还包括钳位线路与第二栅极开启电压产生器，钳位线路的输入来自第二栅极开启电压产生器，作为钳位电压的基准参考电压；

钳位线路的输出接到高耐压场效应晶体管的栅端。