CN103427813B - 用于驱动半导体开关的驱动器电路 - Google Patents

用于驱动半导体开关的驱动器电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于驱动半导体开关的驱动器电路。驱动器电路可以用于根据控制信号将半导体开关驱动至接通状态或关断状态。所述控制信号的操作电压范围由参考电压表示。并且，输入级接收所述控制信号和所述参考电压并生成修改后的控制信号。输出级耦合至所述输入级，并接收修改后的控制信号。所述输出级被配置为根据修改后的控制信号来提供用于将所述半导体开关驱动为接通和关断的驱动器信号。所述输入级被配置为：根据所述参考电压的电平来缩放所述控制信号；将缩放后的控制信号与响应于所述参考电压的至少一个阈值进行比较；以及根据比较的结果来生成修改后的控制信号。

Description

用于驱动半导体开关的驱动器电路
技术领域
本发明涉及用于控制半导体开关的开关操作的驱动器电路，具体地，涉及诸如MOSFET和IGBT之类的场效应晶体管。
背景技术
通常需要驱动器电路，以根据例如微控制器或类似控制电路可提供的（通常为二进制的）控制信号来接通和关断半导体开关。为此目的，将控制信号供给至驱动器电路，驱动器电路被配置为生成对应的驱动器信号，该驱动器信号被供给至半导体开关的控制电极并适于接通和关断该半导体开关。驱动器电路还可以被配置为生成驱动器信号，使得开关的开关特性与特定期望特性相匹配。例如，通过生成适当的驱动器信号，可以具体影响开关电流和/或电压的边缘的陡度。通常需要该“边缘成形”能力，以满足涉及电磁发射（EMI）和电磁兼容（EMC）的特定需求。
所提及的控制电路（例如，微控制器）以下述方式生成控制信号（或者多个控制信号，一个用于要控制的每个半导体开关），所述方式为：所得到的开关操作与期望开关模式相对应。控制信号通常是具有仅两个信号电平（即，低电平（逻辑“0”）和高电平（逻辑“1”））的二进制信号。然而，对于不同类型的控制电路，“低电平”和“高电平”的实际电势（以伏特计）不同。例如，低电平可以与0伏特的电势相对应，而根据所采用的控制电路，高电平可以与3.3伏特、5伏特、12伏特或甚至15伏特相对应。一些控制电路使用负电压来指示低电平（例如，-15伏特），而高电平由+15伏特指示。因此，控制信号电平的绝对定义通常不可能。
因此，驱动器电路（例如，门驱动器）的输入信号规范通常必须与控制电路（例如，微控制器）的输出信号规范相匹配。因此，存在对用于驱动能够处理大范围的控制信号电平的半导体开关的驱动器电路的需要。
发明内容
描述了一种用于根据控制信号将半导体开关驱动至接通状态或关断状态的驱动器电路。所述控制信号的操作电压范围由参考电压表示。该电路包括输入级，所述输入级接收所述控制信号和所述参考电压并生成修改后的控制信号。该电路还包括输出级，所述输出级在其下游耦合至所述输入级，以接收修改后的控制信号。所述输出级被配置为根据修改后的控制信号来提供用于将所述半导体开关驱动为接通和关断的驱动器信号。此外，所述输入级被配置为：根据所述参考电压的电平来缩放所述控制信号；将缩放后的控制信号与响应于所述参考电压的至少一个阈值进行比较；以及根据与所述至少一个阈值的（一个或多个）比较的结果来生成修改后的控制信号。此外，公开了一种用于驱动半导体开关的对应方法。
附图说明
可以参照以下附图和描述来更好地理解本发明。附图中的组件不必按比例绘制，而是重点在于示意本发明的原理。此外，在附图中，相似的参考标记指示对应的部分。在附图中：
图1示意了包括半导体开关、驱动器电路的电路布置，该驱动器电路用于根据由控制电路提供的控制信号来生成用于将开关驱动至接通或关断状态中的驱动器信号；
图2更详细地示意了图1的驱动器电路的一个示例性实施例；
图3示意了图2的示例中使用的输入电压电平测量的一个示例性实施方式；
图4示意了图2的示例中使用的放大器/衰减器的一个示例性实施方式；以及
图5示意了图4的示例的可替换实施方式。
具体实施方式
半导体开关的期望开关状态（接通或关断）可以由相应二进制控制信号的适当电压电平（“高电平”或“低电平”）指示。控制电路用于根据期望开关模式来生成诸如控制信号之类的二进制信号。对于不同类型的控制电路，高电平和低电平的实际电压电平通常不同。低电平可以由在例如从-15伏特至0伏特的范围内变化的电压指示，而高电平可以由在从例如3.3伏特至15伏特的范围内变化的电压电平指示。然而，这些范围外的电压也可以适用。
接收（一个或多个）控制信号的驱动器电路通常包括用于鉴别高和低电平的比较器。假定控制电路提供5伏特的电压电平作为高电平，并提供0伏特的电压作为低电平。在该示例中，可以在驱动器电路的输入级中使用利用1.5伏特和3.5伏特的阈值电压的两个比较器来鉴别从控制电路接收的高和低电平。在本示例中，当相应控制信号的电平超过3.5伏特阈值时，检测到从低电平至高电平的改变。类似地，当相应控制信号的电平将至低于1.5伏特阈值时，检测到从高电平至低电平的改变。
上述阈值电压应当被适配为控制信号的实际电压电平，以允许半导体开关的健壮操作。例如，如果使用15伏特的高电平取代5伏特，则阈值必须分别被适配为例如5伏特和10伏特。否则，高电压摇摆不会具有高信噪比的期望效果，特别是在噪声环境中。假定3.5伏特的加性随机噪声和15伏特的高电平，那么在第一示例中使用的低阈值（1.5和3.5伏特）将导致错误的开关操作，而5伏特和10伏特的阈值不会导致。
此外，控制信号的高和低电平的实际电压电平通常经受多达10%的容限。即，5伏特的标称高电平实际上可以是5.5伏特或仅4.5伏特。当由控制电路提供的控制信号的电平处于驱动器电路的供给电压范围外时，可能发生其他问题。为了解决或减轻上述问题以及为了提供可更灵活地使用的驱动器电路，开发了新型驱动器电路。在图1和2中示意了驱动器电路的示例性实施例。
图1示意了半导体开关T1，在本示例中，其为MOS晶体管。半导体开关T1连接在供给电势与负载（未示出）之间，以根据被供给至半导体开关T1的控制电极（在本示例中即MOS晶体管的栅极）的驱动器信号VOUT来接通和关断流经该负载的负载电流iL。驱动器信号VOUT由驱动器电路2输出，驱动器电路2被配置为根据二进制控制信号VCTL来生成驱动器信号VOUT。控制信号VCTL被控制电路1供给至驱动器电路2，控制电路1可以是微控制器或者能够提供表示半导体开关T1的期望开关模式的（一个或多个）二进制控制信号的其他控制电路。MOS晶体管T1、驱动器电路2和控制电路1通常集成在可在分离芯片封装中布置的分离半导体管芯中。
向控制电路1供给例如参考电压VREF和参考电势VSS（例如，0伏特或接近0伏特）。然而，在一些应用中，供给电压可以与参考电压不同。然而，VREF表示控制信号VCTL的上电压轨，并还可以由控制电路1自身生成和提供。由此，控制信号VCTL的低电平等于VSS，并且控制信号的高电平等于VREF。换言之，电势VREF和VSS是定义控制信号VCTL的最大和最小电势（即，高电平和低逻辑电平）的电压轨。向驱动器电路2供给例如第二供给电压VCC和电势VSS，或者可替换地，供给地电势，其中，第二供给电势VCC可以高于或低于参考电势VREF。驱动器电路2包括驱动器输入级21和与驱动器输入级21串联连接的驱动器输出级22。输入级21从控制电路1接收控制信号VCTL，并被配置为检测控制信号VCTL的逻辑电平（高电平或低电平），并将检测到的逻辑电平转发至输出级22，输出级22生成适当驱动器信号VOUT（例如，分别具有明确定义的电压或电流梯度的栅电压或栅电流）。驱动器输出级22的设计是公知的并且这里不进一步讨论。在图2中示意了包括驱动器输入级21的更多细节的驱动器电路2的一个示例性实施方式。作为选项，在输入级21与输出级22之间，可以提供电流隔离25。可以通过采用例如光隔离器（光耦合器）、变压器电路（例如，集成无芯变压器）等来实现电流隔离。在这种情况下，输入级21和输出级22可以由分离的供给电路供电。
图2的电路实质上与图1的电路相对应。然而，在图2中省略了半导体开关T1以简化示意。如在图1的示例中，驱动器电路2包括驱动器输入级21和在其下游耦合至该输入级的驱动器输出级22。在该示例中未使用电流隔离25（参见图1），但是如果应用需要的话，也可以包括电流隔离25。输入级21包括可调整放大器/衰减器电路213，可调整放大器/衰减器电路213被配置为缩放（即，放大或衰减）控制信号VCTL的电平，其中，缩放因子（增益或衰减）是可调整的。将缩放后（放大后或衰减后）的控制信号VCTL’供给至比较器214（例如，利用迟滞以避免切换（toggling）），比较器214被配置为检测控制信号VCTL’的逻辑电平（高电平或低电平）。比较器214的输出（比较器信号VCMP）耦合至输出级22。
根据被供给至比较器214的参考电势VREF’来设置或者从该参考电势VREF’导出比较器214所使用的（一个或多个）阈值。在本示例中，使用两个阈值来提供由上和下阈值定义的比较器迟滞。上和下阈值是从可在对比较器214施加之前缩放的参考电压VREF（即，控制电路1的供给电压或由控制电路1提供的供给电压）导出的。为此目的，驱动器电路2包括另一可调整放大器/衰减器电路212，该另一可调整放大器/衰减器电路212被配置为缩放（放大或衰减）参考电压VREF的电平，其中，缩放因子（增益或衰减）是可调整的。放大器/衰减器电路212提供了被施加至比较器214的缩放后的参考电压VREF’，比较器可以从缩放后的参考电压VREF’导出其阈值。提供实质上相同功能（即，根据参考电压缩放比较器的阈值）的其他实施方式适用。缩放后的参考电压VREF’可以是比较器214所使用的阈值电压之一的基础。
放大器/衰减器电路212和213的缩放因子（增益或衰减）由电压测量电路211设置，电压测量电路211被配置为测量参考电压VREF并提供依赖于参考电压VREF的电平的缩放后的参考信号（在本示例中即VREF’）。如图2中所示的驱动器电路2的输入级21允许测量与参考电压VREF（关于电势VSS）的电平相对应的控制信号VCTL的信令电平（即，上电压轨）。根据所测量出的电压电平，调整从控制电路1接收到的控制信号VCTL的缩放因子（放大器/衰减器213），并且还调整（例如，由放大器/衰减器212和分压器R1、R2、R3）窗口比较器的阈值。因此，输入级自动适配为控制电路1所使用的信令电平。
图3示意了在图2的示例中使用的电压测量电路211的一个示例性实施方式。如从图2中可见，电路211被提供有驱动器供给电压VCC和参考电压VREF这两者。如果不稳定，则可以将电压VCC供给至电压稳定电路BGR（例如，带隙参考电路），以生成稳定的电压VSTAB。在现今使用的许多器件中，电压VSTAB将用于定义比较器214的阈值（在没有缩放能力的情况下）。这里描述的电压测量电路211的示例性实施方式包括两个或更多个比较器。在图3中，使用三个比较器CA、CB和CC来鉴别参考电压VREF的不同值。每个比较器经由分压器RA、RB来接收参考电压VREF的缩放后的版本（VREFAB=VREF·RB/(RA+RB)）。电阻器RA和RB由电路设计预定义。此外，每个比较器接收从稳定电压VSTAB导出的相应阈值电平。即，各个比较器CA、CB和CC被配置为将缩放后的参考电压VREFAB与作为VSTAB、VSTAB·(RY+RZ)/(RX+RY+RZ)和VSTAB·RZ/(RX+RY+RZ)的相应阈值进行比较。电阻器RX、RY和RZ也由电路设计预定义，并形成用于从稳定电压VSTAB导出所提及的（固定的）阈值电平的分压器。然而，应当注意，所示出的实施方式仅是一个示例。本领域技术人员将能够发现提供相同功能的其他实施方式。在本示例中，分压器RX、RY、RZ的两个中间抽头（提供上述阈值电平）连接至比较器CB和CC，而比较器CA接收总电压VSTAB作为阈值电平。
在本示例中，分压器RX、RY、RZ和RA、RB的电阻器被设计为使得：当参考电压VREF大于6V时，第一比较器CA的输出OA活动（OA=1）；当参考电压VREF大于4V时，第二比较器CB的输出OB活动（OB=1）；以及当参考电压VREF大于2.7V时，第一比较器CC的输出OC活动（OC=1）。实质上，电压测量电路211如具有非等距阈值电平的2比特闪速模数转换器那样操作。比较器输出信号可以被视为表示参考电压VREF的输出信号。主要使用在2.7V阈值的情况下操作的比较器CC来检测驱动器电路2的错误地未连接的参考输入REF（参见图1）。在本示例中，例如VREF=15V的信令电平产生O=[1, 1, 1]的输出，例如VREF=5V的信令电平产生O=[1, 1, 0]的输出，例如VREF=3.3V的信令电平产生O=[1, 0, 0]的输出，以及例如VREF=0V的信令电平产生指示如上所述的未连接的参考输入REF的O=[0, 0, 0]的输出。可以使用输出O=[0, 0, 0]将差错发信令给例如控制电路1。
图4示意了可调整放大器/衰减器电路212和213以及比较器214的示例性实施方式。在本示例中，放大器/衰减器电路212和213被实现为电阻性分压器，并因此仅可以提供低于或等于1的缩放因子，即，未提供放大功能。然而，其他实施方式可以包括提供大于1的缩放因子的放大器。如图2中可见，放大器/衰减器电路213被配置为在控制信号VCTL被供给至比较器214之前缩放控制信号VCTL。根据图4的示例，电路213可以被实现为分压器（由电阻器R4和R5以符号方式表示），其中，可以根据表示参考电压VREF的输出信号O=[OA, OB, OC]（图3的电路的三个输出可以被视为一个多比特输出信号或者表示信号O的任何其他信号）来设置实际分压比（division ratio）。可以通过使用例如可编程电阻器（数字电势计）或者简单地通过提供每个具有所定义的分压比的多个分压器和用于根据信号O在各个分压器之间切换的电子开关，实现可调整分压比。
类似地，放大器/衰减器电路212被配置为缩放比较器214的阈值电平。根据图4的示例，电路212还可以被实现为具有两个中间抽头的分压器（由电阻器R1、R2和R3以符号表示），其中，可以根据表示参考电压VREF的信号O来设置（一个或多个）实际分压比。可以以与以上关于分压器213所描述相同的方式实现（一个或多个）可调整分压比。可替换地，取而代之，可以提供具有固定比率的分压器，并可以缩放分压器的输入电压，以调整在分压器的中间抽头处抽取（tap）的阈值电平（还参见图5）。在本示例中，比较器所使用的阈值电平被表示为VREF’和VREF’’。电压电平VREF’和VREF’’是在由电阻器R1、R2和R3形成的分压器处抽取的，并因此是参考电压VREF的缩放后的版本。
比较器214可以包括用于检测高电平的第一比较器电路C1和用于检测低电平的第二比较器电路C2。当第一比较器电路C1由控制信号VCTL的高电平触发时，其设置R/S触发器（flip flop）的设置输入。类似地，当第二比较器电路C2由控制信号VCTL的低电平触发时，其设置R/S触发器的重置输入。触发器输出信号VCTL’与由控制电路1提供的控制信号VCTL相对应，但具有与控制电路1所使用的信令电平无关的归一化高和低电平。
图5示意了图4的示例的可替换实施方式。取代如在图4的示例中所进行的那样改变电阻器R1、R2、R3或分压器以调整比较器的阈值电平，使用放大器AMP以及具有固定电阻的电阻器R1、R2、R3来缩放对分压器施加的输入电压。当然，可以将放大器AMP设置为低于1的缩放因子。
尽管描述了本发明的各个示例性实施例，但是对本领域技术人员来说将显而易见，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以进行将实现本发明的优势中的一些的各种改变和修改。对本领域技术人员来说将显而易见，可以用执行相同功能的其他组件合适地替代。应当提及，可以将参照特定附图而说明的特征与其他附图的特征进行组合，即使在这些其他附图中这些特征未显式提及的情况下亦如此。此外，可以使用适当的处理器指令在所有软件实施方式中实现本发明的方法，或者，可以在利用硬件逻辑和软件逻辑的组合实现相同结果的混合实施方式中实现本发明的方法。对本发明构思的这种修改意在由所附权利要求覆盖。

Claims (17)

1.一种用于根据控制信号生成驱动信号的驱动器电路，所述控制信号具有由参考电压表示的操作电压范围，所述电路包括：
输入级，被配置为接收所述控制信号和所述参考电压并生成修改后的控制信号；以及
输出级，在其下游耦合至所述输入级，并且被配置为接收修改后的控制信号并根据修改后的控制信号来提供所述驱动信号；
其中，所述输入级被配置为：
根据所述参考电压的电平来缩放所述控制信号；
将缩放后的控制信号与关于所述参考电压的至少一个阈值进行比较；以及
根据比较的结果来生成修改后的控制信号，
其中，所述输入级包括：
第一可调整缩放电路，被配置为根据第一可调整缩放因子来放大或衰减接收到的控制信号，
第二可调整缩放电路，被配置为根据第二可调整缩放因子来放大或衰减所述参考电压，以获得所述至少一个阈值，
比较器电路，被配置为将缩放后的控制信号与所述至少一个阈值进行比较，并将比较的结果作为修改后的控制信号供给至所述输出级，以及
测量电路，被配置为提供表示所述参考电压的电平的测量信号，其中所述第一可调整缩放因子和所述第二可调整缩放因子与所述测量信号相关。
2.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中，所述第一可调整缩放电路包括可变增益放大器，所述可变增益放大器具有与所述测量信号相关的增益。
3.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中，所述第一可调整缩放电路包括可编程分压器，所述可编程分压器具有与所述测量信号相关的分压比。
4.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中，所述输入级被配置为将缩放后的控制信号与两个不同阈值进行比较，从而提供具有迟滞的比较。
5.根据权利要求4所述的驱动器电路，其中，所述输入级包括具有迟滞的比较器电路，该比较器被配置为将缩放后的控制信号与所述两个不同阈值进行比较以形成比较结果，并将所述比较结果作为修改后的控制信号供给至所述输出级。
6.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中，所述测量电路包括被配置为将所述参考电压与多个对应阈值进行比较的多个比较器，输出信号表示比较器状态，所述比较器状态表示相应比较结果。
7.根据权利要求1所述的驱动器电路，其中，所述输出级被配置为根据修改后的控制信号来提供用于将半导体开关驱动为接通和关断的驱动信号。
8.根据权利要求1所述的驱动器电路，还包括半导体开关，其中，所述输出级被配置为根据修改后的控制信号将所述半导体开关驱动为接通和关断。
9.一种用于根据控制信号生成驱动信号的驱动器电路，所述控制信号具有由参考电压表示的操作电压范围，所述电路包括：
输入级，被配置为接收所述控制信号和所述参考电压并生成修改后的控制信号；以及
输出级，在其下游耦合至所述输入级，并且被配置为接收修改后的控制信号并根据修改后的控制信号来提供所述驱动信号；
其中，所述输入级被配置为：
根据所述参考电压的电平来缩放所述控制信号；
将缩放后的控制信号与两个不同阈值进行比较，由此提供具有迟滞的比较，其中，所述两个不同阈值是响应于表示参考电压的测量信号而设置的，以及
根据比较的结果来生成修改后的控制信号。
10.根据权利要求9所述的驱动器电路，其中，所述两个不同阈值是从具有依赖于所述参考电压的可编程分压比的分压器抽取的。
11.根据权利要求9所述的驱动器电路，其中，所述两个不同阈值是从具有固定分压比但被供给有缩放后的参考电压的分压器抽取的。
12.一种用于驱动半导体开关的方法，包括：
接收控制信号和参考电压，所述控制信号具有由所述参考电压表示的操作电压范围；
根据所述参考电压的电平来缩放所述控制信号；
将缩放后的控制信号与关于所述参考电压的阈值进行比较，其中，将缩放后的控制电压与阈值进行比较包括：将缩放后的控制信号与两个不同阈值进行比较，并且，所述两个不同阈值是响应于表示所述参考电压的测量信号而设置的；
根据缩放后的控制信号和阈值的比较的结果来生成修改后的控制信号；以及
根据修改后的控制信号（VCMP）来生成驱动器信号。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：利用所述驱动器信号将所述半导体开关驱动为接通和关断。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述比较确定了迟滞。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述两个不同阈值是从具有依赖于所述参考电压的可编程分压比的分压器抽取的。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述两个不同阈值是从具有固定分压比但被供给有缩放后的参考电压的分压器抽取的。
17.一种用于根据控制信号将半导体开关驱动至接通状态或关断状态的驱动器电路，所述控制信号具有由参考电压表示的操作电压范围，该电路包括：
第一可调整缩放电路，被配置为根据第一可调整缩放因子来放大或衰减所述控制信号以生成缩放的控制信号；
第二可调整缩放电路，被配置为根据第二可调整缩放因子来放大或衰减所述参考电压，以获得阈值；
测量电路，被配置为提供表示所述参考电压的电平的测量信号，其中所述第一可调整缩放因子和所述第二缩放因子与所述测量信号相关；
比较器电路，被配置为将缩放后的控制信号与所述阈值进行比较，并生成修改后的控制信号；以及
输出级，被耦合以接收修改后的控制信号，并根据修改后的控制信号来提供用于将所述半导体开关驱动为接通和关断的驱动信号。
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