CN102033153A - 晶体管半桥电路的中点电压检测器件 - Google Patents

晶体管半桥电路的中点电压检测器件 Download PDF

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Abstract

本发明描述了包括第一和第二晶体管的晶体管半桥电路的中点电压检测器件；所述半桥连接于电源电压与参考电压之间并且被适配用以驱动负载。所述第一和第二晶体管被驱动以使所述中点电压经历从低电压值到高电压值的转换和反向的转换；所述电路包括自举电容器，其两个端子分别与所述中点节点以及其供电电路相连。所述检测器件包括另外的电容器，其被适配为连接于自举电容器的所述另一端子与电路装置之间，所述电路装置从电流角度而言构成低阻抗节点。所述器件包括检测装置，其被适配用以检测在所述另外的电容器中流通的电流信号，并且被适配用以根据所述电流信号输出至少一个指示所述中点电压从低值到高值或从高值到低值的转换的第一信号。

Description

晶体管半桥电路的中点电压检测器件
技术领域
本发明涉及晶体管半桥电路的中点电压检测器件。
背景技术
具有高压晶体管半桥的电路在如电机控制、荧光灯镇流器以及供电电路之类的各种应用中得到了运用。如图1中所见，半桥电路包括一对置于高电源电压Vin与地电位GND之间的叠层式晶体管。
晶体管Q 1和Q2是MOSFET类型的功率器件，并且其公共连接点，节点“A”，是与负载相连的输出端。每个晶体管Q1和Q2具有自己的用于驱动的驱动器DRV1和DRV2，以提供用于将其导通和截止的便利信号。
在许多应用中，监测中心点节点即节点A，为确定例如图1中的LLC串联谐振电路1在何时从高状态切换到低状态或者何时进行反向切换，提供了便利。在电路的正常工作中，晶体管Q1和Q2交替地导通和截止，以使电流流入与节点A相连的谐振负载之中。当晶体管Q1被导通时，节点A的电压被带至基本上等于电源电压的高电位，电流因此开始在谐振负载中增大。当晶体管Q1被截止时，流入谐振负载中的电流导致节点A的电压向低电位降低。晶体管Q1和Q2被假定为以比负载电路的谐振频率更高的频率进行切换。在确保节点A的电压已降低至低电压(通常为0伏，即地电位GND)的一段空置时间(idle time)之后，晶体管Q2被导通。该空置时间避免了两个晶体管Q1、Q2同时被导通，两个晶体管同时导通将会在高电压与低电压之间造成短路；空置时间确保了节点A的电压(即中点节点的电压)的转换早在导通另一晶体管之前就已结束。
在导通晶体管Q2之前，节点A的电压从高电压到低电压的完全转换将会采用有限的时间量。在某些条件下，在导通晶体管Q2时，节点A的电压无法完全降低到低电位。在这种情况下，晶体管Q2将迫使节点A的电压降低到该低电压水平。这种切换被称为“硬切换”，并且其产生切换损耗，将导致晶体管Q1和Q2过热，甚至会不可逆转地损坏这两个晶体管。
因此，可使切换损耗最小化，从而在晶体管导通之前确保节点A已完成从高电压到低电压的转换或者反向的转换。
鉴于现有技术水平，本发明的目标是提供可克服上述缺点的、晶体管半桥电路的中点节点电压检测器件。
发明内容
依据本发明，这样的目标是通过包含有第一和第二晶体管的晶体管半桥电路的中点电压检测器件来实现的，所述半桥被连接于电源电压与参考电压之间并且被适配用以驱动负载，所述第一和第二晶体管被驱动以使所述中点电压经历从低电压值到高电压值的转换以及反向的转换，所述半桥电路包括自举电容器，该自举电容器具有与中点节点相连的一个端子以及与所述自举电容器的供电电路相连的另一端子，所述器件的特征在于：所述器件包括：被适配连接在所述自举电容器的所述另一端子与下述电路装置之间的另外的电容器，所述电路装置被适配用以针对在中点电压从低值到高值以及从高值到低值的转换过程中在所述另外的电容器中流通的电流信号构成低阻抗节点；所述器件还包括检测装置，其被适配用以检测在所述另外的电容器中流通的电流信号，并且被适配用以根据所述电流信号至少输出指示中点电压从低值到高值或者从高值到低值的转换的第一信号。
附图说明
本发明的特征和优点将从通过所附附图中以非限制性范例的方式示出的实际实施例的以下详细描述中显现出来。在附图中：
图1是依据已知技术的晶体管半桥电路的图示；
图2是依据本发明的晶体管半桥电路的中点电压检测器件；
图3示出图2的电路中的相关信号的一些时序图。
具体实施方式
图2示出依据本发明的晶体管半桥电路的中点电压检测器件或检测电路10。本图示出了串联布置于电源电压Vcc与地电位GND之间的MOS晶体管M1和M2的半桥。中心点节点A，即晶体管M1与M2之间的公共端子，与负载LOAD相连，优选地与连接到地电位GND的谐振负载相连。晶体管M1和M2由分别具有输入信号HVG和LVG的两个驱动器11和21分别进行驱动。驱动器11和21被适配用以交替地导通和截止晶体管M1和M2，使得在晶体管M1导通并且晶体管M2截止时，节点A在基本上在处于电压Vcc的(例如400伏)的高电位上；而在晶体管M2导通并且晶体管M1截止时，节点A在基本上处于接地电压GND的低电位上。
当晶体管M1被截止时，流入谐振负载中的电流导致节点A的电压向低电位LW降低。晶体管M1和M2被假定为以比负载LOAD的谐振频率更高的频率进行切换。在一段空置时间Tm1之后，即一旦节点A的电压已被带至低电压(通常为0伏，即地电位GND)时，晶体管M2被导通。空置时间Tm1避免了两个晶体管M1、M2同时导通，两个晶体管同时导通会在高电压与低电压之间造成短路；空置时间Tm1确保了节点A的电压(即中点节点的电压)的转换在导通另一晶体管M1之前就已结束。
类似地，当晶体管M2被截止时，流入谐振负载中的电流导致节点A的电压向高电位HW升高。在一段空置时间Tm2之后，即一旦在节点A的电压已被带至高电压(通常为电源电压Vcc)时，晶体管M1被导通。空置时间Tm2避免了两个晶体管M1、M2同时导通，两个晶体管同时导通会在高电压与低电压之间造成短路；空置时间Tm2确保了节点A的电压(即中点节点的电压)的转换在导通另一晶体管M2之前就已结束。
电路10被适配用以检测中心点节点A的电压变化，并提供在所述变化上的逻辑信号，具体地，其被适配用以检测中点电压Va从低电压值LW到高电压值HW的转换以及反向的转换。
半桥电路通常还包括自举电容器Cboot，其与中心点节点A以及所述自举电容器Cboot的特定供电电路15相连。自举电容器使晶体管M1的驱动级能够得到正确地供电；为了确保自举电容器Cboot在非常短的时间内充电，电路15应当允许其在短的时间中的供电。
电路10包括具有另外的电容器的电路，所述另外的电容器可连接至自举电容器Cboot并且可连接至电路装置12，即Cpump、Q3、Q4，所述电路装置针对在中点电压Va从低值LW到高值HW以及从高值HW到低值LW的转换过程中跨过所述另外的电容器的电流信号构成低阻抗节点。高电压值HW基本上为电源电压Vcc，而低电压值LW为参考电压，优选地为地电位GND。电路15优选地包括LDMOS晶体管M10，其具有：一个非可驱动式端子，例如源极端子，与低于电源电压Vcc的例如20伏电压的电压Vdd相连；以及另一非可驱动式端子，漏极端子，通过自举电容器Cboot与中心点节点A相连。在这种情况下，该另外的电容器是晶体管M10的栅极端子与漏极端子之间的固有电容器Cgd。
为了同步地驱动晶体管M10，需要比电源电压Vdd更高的电压，这是通过内部充电泵12来获得的，该充电泵12包括：优选地由信号LVG所控制的驱动电路12A；连接于驱动电路12A的输出端之间并与晶体管M10的栅极端子G相耦合的泵浦电容器Cpump；以及具有与电源电压Vdd相连的正极和与晶体管M10的栅极端子G相连的负极的二极管D1。泵浦电路12优选地包括至少一个反相器，其连接在电源电压Vdd与地电位GND之间并且具有与电容器Cpump相连的输出端子；该输出端子为反相器的两个晶体管的公共端子。
电路10利用LDMOS晶体管M10的固有栅极-漏极电容器Cgd来监测节点A上的电压变化；电容器Cgd通常在0.5与1pF的范围内。晶体管M10的栅极端子与电容器Cpump的一个端子以及二极管D1的负极之间的连接是通过电阻器Rswitch来实现的。
电路10包括电路系统20，电路系统20具有npn类型的双极晶体管Q3，该晶体管的发射极端子直接地与晶体管M10的栅极端子G相连并且与电阻器Rswitch的一个端子相连，其基极端子与电阻器Rswitch的另一端子相连，并且其集电极端子与包含有连接到电流发生器I1的p-沟道MOS晶体管T1和T2的电流反射镜T1-T2相连。电路系统20还包括pnp类型的双极晶体管Q4，该晶体管的发射极端子直接地与晶体管M10的栅极端子G相连并且与电阻器Rswitch的一个端子相连，其基极端子与电阻器Rswitch的另一端子相连，并且其集电极端子与包含有连接到电流发生器I2的n-沟道MOS晶体管T3和T4的电流反射镜T3-T4相连。晶体管Q3和Q4还可以包括这样的MOS晶体管，其栅极端子与晶体管M10的栅极端子G相连并且与电阻器Rswitch的一个端子相连，这两个栅极端子都与电阻器Rswitch的另一端子相连，并且其漏极端子与电流反射镜T1-T2和T3-T4相连。
在发生中心点节点A从低电位到高电位的切换时，电流Isink通过电容器Cgd被注入到晶体管M10的栅极端子G中。所述电流跨过电阻器Rswitch并且在从电流信号的角度讲是低阻抗点的电容器Cpump上流动，并导致在电阻器Rswitch上的电压降；这导致双极晶体管Q4被导通，而晶体管Q4趋向于将电流Isink向反射镜T3-T4转移。电流Isink与来自电流发生器I2的参考电流I2进行比较，并在电流Isink高于电流I2时通过反相器13提供高逻辑输出信号LH_comm。
在发生中心点节点A从高电位到低电位的切换时，电流Isource被电容器Cgd从晶体管M10的栅极端子G上拾取。所述电流跨过电阻器Rswitch并且在从电流信号的角度讲是低阻抗点的电容器Cpump上流动，并导致在电阻器Rswitch上的电压降；这导致双极晶体管Q3被导通，而晶体管Q3趋向于将电流Isource向反射镜T1-T2转移。电流Isource与来自电流发生器I1的参考电流I1进行比较，并在电流Isource高于电流I1时通过缓冲器14提供高逻辑输出信号HL_comm。
信号电流Isink和Isource与中心点节点A的电压的导数成正比。事实上，随着在电流被注入晶体管M10的栅极端子G或从其上拾取电流时两个双极晶体管Q3或Q4中的一个被导通，电流所遇到的从栅极节点向地电位的阻抗相对较低，即双极晶体管的发射电阻器。自举电容器Cboot(一般具有大约为100nF的值)通常具有远高于LDMOS晶体管M10的寄生电容器Cgd(0.5-1pF)的值。因此，跨过Cboot电容器的电压Vboot为：
Vboot = Va · Cboot Cboot + Cgd ≅ Va
即，其基本上等于节点A上的电压Va。
因此，注入电容器Cgd中或者从其拾取的电流Isink或Isource为：
I sin k / source = Cgd · dVboot dt
因此，信号电流Isink和Isource与中心点电压Va的导数成正比。因而，逻辑信号LH_comm和HL_comm(其在电压Va的正/负导数超过由参考电流I1和I2所决定的某个数值时为有效的高电位)指示出节点A的转换于何时发生。通过便利地设置参考电流I1和I2的值，可以将逻辑信号HL_comm和LH_comm的激活灵敏度设置为电压Va的变化(variation)。相反，电阻器Rswitch的值决定了对检测电路系统进行激活的信号电流Isink和Isource的最低阈值。
上述电路10可以在不采用附加的外部组件的情况下集成在包含有自举与控制电路系统的同一芯片上，从而简化最终的应用电路。
图3示出了信号HVG和LVG、中点电压Va以及信号HL_comm和LH_comm的时序图，并且示出了空置时间段Tm1和Tm2。

Claims (11)

1.一种晶体管(M1、M2)半桥电路的中点电压(Va)的检测器件，所述半桥电路包括：第一(M1)晶体管和第二(M2)晶体管，所述半桥被连接于电源电压(Vcc)与参考电压(GND)之间并且被适配用以驱动负载(LOAD)，所述第一晶体管和第二晶体管被驱动以使所述中点电压(Va)经历从低电压值(LW)到高电压值(HW)的转换以及反向的转换，所述半桥电路包括自举电容器(Cboot)，所述自举电容器具有与所述中点节点相连的一个端子以及与所述自举电容器的供电电路(15)相连的另一端子，所述检测器件的特征在于：所述检测器件包括被适配连接于所述自举电容器的所述另一端子与电路装置(12，Cpump、Q3、Q4)之间的另外的电容器(Cgd)，所述电路装置(12)被适配用以针对在所述中点电压(Va)从低值到高值以及从高值到低值的转换过程中在所述另外的电容器(Cgd)中流通的电流信号(Isink、Isource)构成低阻抗节点；所述检测器件还包括检测装置(10)，其被适配用以检测在所述另外的电容器中流通的所述电流信号，并且被适配用以根据所述电流信号输出至少一个指示出所述中点电压从低值到高值或者从高值到低值的转换的第一信号(HL_comm、LH_comm)。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述检测装置(10)被适配用以将所述电流信号与至少一个参考电流(I1、I2)进行比较，并且在所述另外的电容器中流通的电流信号(Isink、Isource)具有比所述参考电流更高的强度时输出所述至少一个第一信号(HL_comm、LH_comm)。
3.根据权利要求2所述的器件，其特征在于：所述检测装置(10)被适配用以检测响应于所述中点电压从低值到高值以及从高值到低值的转换的电流信号(Isink、Isource)的任一方向，并且其被适配用以根据检测到的信号电流的方向输出两个不同的第一信号。
4.根据权利要求3所述的器件，其特征在于：所述检测装置包括与所述另外的电容器串联布置的电阻器(Rswitch)以及一对第一(Q3)晶体管与第二(Q4)晶体管，所述第一晶体管或所述晶体管中的任意一个根据所述电流方向处于有效状态。
5.根据权利要求4所述的器件，其特征在于：属于所述检测装置的所述晶体管对的所述晶体管(Q3、Q4)为双极晶体管，并且其基极端子都与所述电阻器(Rswitch)的一个端子相连，其发射极端子都与所述电阻器的另一端子相连，并且其集电极端子与两个不同的电流反射镜(T1-T2、T3-T4)以及两个比较器相连，所述电流反射镜被适配用以反射所述电流信号(Isink、Isource)中的任意一个，而所述比较器则被适配用以将经反射的电流与两个不同的参考电流(I1、I2)进行比较，并输出所述两个第一信号(HL_comm、LH_comm)。
6.根据权利要求4所述的器件，其特征在于：属于所述检测装置的所述晶体管对的所述晶体管(Q3、Q4)为MOS晶体管，并且其栅极端子都与所述电阻器(Rswitch)的一个端子相连，其源极端子都与所述电阻器的另一端子相连，并且其漏极端子与两个不同的电流反射镜(T1-T2、T3-T4)以及两个比较器相连，所述电流反射镜被适配用以反射所述电流信号(Isink、Isource)中的任意一个，而所述比较器则被适配用以将经反射的电流与两个不同的参考电流(I1、I2)进行比较，并输出所述两个第一信号(HL_comm、LH_comm)。
7.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述低电压值(LW)和所述高电压值(HW)分别基本上为低电位(GND)和电源电压(Vcc)。
8.根据权利要求1所述的器件，其特征在于：所述自举电容器(Cboot)的所述供电电路(15)包括第三晶体管(M10)，所述第三晶体管(M10)的一个非可驱动端子与低于所述电源电压(Vcc)的电压(Vdd)相连，其另一非可驱动端子与所述自举电容器相连，以及其可驱动端子与泵浦电路(12)的泵浦电容器(Cpump)相连。
9.根据权利要求8所述的器件，其特征在于：所述第三晶体管(M10)为LDMOS晶体管，而所述另外的电容器(Cgd)为所述第三晶体管的栅极端子与漏极端子之间的固有电容器。
10.根据权利要求8所述的器件，其特征在于：所述电路装置包括所述泵浦电路(12)的所述泵浦电容器(Cpump)。
11.一种集成电路，其包括晶体管半桥电路，所述半桥电路包括第一(M1)晶体管和第二(M2)晶体管，所述半桥连接于电源电压(Vcc)与参考电压(GND)之间并且被适配用以驱动负载(LOAD)，所述第一晶体管和第二晶体管被驱动以使所述中点电压(Va)经历从低电压值(LW)到高电压值(HW)的转换和反向的转换，所述半桥电路包括自举电容器(Cboot)，所述自举电容器具有与所述中点节点相连的一个端子以及与所述自举电容器的供电电路(15)相连的另一端子，所述集成电路包括如前述任意一项权利要求所定义的晶体管半桥电路的中点电压(Va)检测器件。
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