CN103715868A - 高侧半导体开关低功率驱动电路和方法 - Google Patents

高侧半导体开关低功率驱动电路和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高侧半导体开关低功率驱动电路和方法。一种高侧半导体开关驱动方法包括生成用于控制高侧半导体开关的功率。高侧半导体开关具有控制端子并且所述功率允许电流流入高侧半导体开关的控制端子以切换高侧半导体开关。量化高侧半导体开关的控制端子处的电压。控制依赖于高侧半导体开关的控制端子处的电压的功率，以便当控制端子处的电压指示电流不足够切换高侧半导体开关时，增加提供的电流。

Description

高侧半导体开关低功率驱动电路和方法
技术领域
本发明一般地涉及电子器件以及在具体实施例中涉及高侧半导体开关低功率驱动电路和方法。
背景技术
高侧开关，例如n沟道增强模式金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，由于其低导通电阻而被广泛使用，但是需要电荷泵用于生成充足的控制电压。这些电荷泵需要具有低功率消耗但应提供高输出电流-其是冲突的要求。例如，在汽车应用中，一些高侧开关甚至当承载开关的汽车被关闭时打开。这意味着高侧开关所消耗的功率汲取自具有有限容量的汽车电池。大部分功率消耗在高侧开关打开时发生，因为在这个阶段，通常存在于高侧半导体开关驱动器电路中的电荷泵是活动的并且从供电电压生成用于控制高侧开关的高于供电电压的电压。供电电压由汽车电力网提供，所述汽车电力网包括当汽车关闭时作为唯一功率源的汽车电池。因此，期望的是提供改进的驱动电路和方法来控制这些开关。
发明内容
根据本发明实施例的高侧半导体开关驱动器电路包括：可控电荷泵电路，可操作用于控制高侧半导体开关，其中高侧半导体开关具有控制端子并且电荷泵电路提供电流给高侧半导体开关的控制端子用于切换高侧半导体开关。评估电路连接至电荷泵电路并且可操作用于量化高侧半导体开关的控制端子处的电压并且依赖于高侧半导体开关的控制端子处的电压来控制电荷泵电路，以便当由来自电荷泵电路的电流生成的电压不足够切换高侧半导体开关时，增加由电荷泵电路提供的电流。
根据本发明另一实施例的高侧半导体开关驱动方法包括：生成用于控制高侧半导体开关的功率，其中高侧半导体开关具有控制端子并且该功率允许电流流入高侧半导体开关的控制端子以切换高侧半导体开关；确定高侧半导体开关的控制端子处的电压；以及依赖于高侧半导体开关的控制端子处的电压来控制功率，以便当控制端子处的电压指示电流不足够切换高侧半导体开关时，增加所提供的电流。
本发明的其它特征和优点将从本发明的参考附图的下面的描述中变得显而易见。
附图说明
更完全地理解本发明及其优点，现在参考下面的联合附图一起采取的描述，其中：
图1为图示了在不同温度下的n沟道增强模式场效应晶体管的测量的漏电流相对于栅-源电压的图；
图2为根据本发明的第一实施例的驱动器电路的框图；
图3为用于在图2的高侧半导体开关驱动器电路中使用的电平移位器的框图；
图4为根据本发明的第二实施例的检测器电路的电路图；以及
图5为根据本发明的第三实施例的驱动器电路的框图。
具体实施方式
用于使高侧半导体开关驱动器电路的功率消耗保持为低的通常方法为优化电荷泵的效率。然而，(a)当对高侧半导体开关的输入电容(例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)的栅电容)充电时，以及(b)在高温时，电荷泵应该提供足够的电流。在任何其它时间，电荷泵需要递送仅小量的电流。为了在“低”电流和“高”电流之间切换或反之，当高侧半导体开关(下文中也称为“开关”)需要较低或较高电流时，必须进行估计。如果例如，栅电容充分充电，较低电流是足够的。维持这个电荷比从例如已放电状态对电容充电(诸如例如从“断开”状态到“导通”状态的瞬变过程)所需要的电流低得多。
估计输入电容的充电状态(如果期望切换)的一种方法是测量开关的负载路径上的电压，负载路径可以是例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的漏-源路径或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)的集电极-发射极路径。开关的负载路径上的电压可以非常低，例如大约10mV或更低，使得负载路径处的电压测量受测量电路的噪声和偏移电压严重影响，其使得测量不准确。另外，开关的负载路径上的电压依赖于流经负载路径的电流，使得所测量的电压自身不足以估计开关的输入电容的充电状态。开关的负载路径上的电压也没有给出开关在什么偏置点处操作的指示。图1图示了针对三种不同温度(即高温HT、中温MT和低温LT)的相对于其栅-源电压Vgs的n沟道增强模式MOSFET的漏电流Id。对于高电流开关，栅源电压Vgs高于温度补偿点TCP上的电压是必需的。如果在高电流时栅源电压Vgs小于温度补偿点TCP处的电压，开关将由于电流丝形成而被损坏或者甚至被损毁。因此，需要电荷泵递送大电流。
本文中所描述的驱动器电路估计开关输入端处的相关输入电压。例如，导通状态中MOSFET的栅-源电压可以在栅极和供电电压源的高侧(其为与MOSFET的漏极相同的电势)之间获取。然而，漏-源电压(几毫伏)相较于切换MOSFET必需的栅电压(几伏)是可忽略的，使得栅-源电压Vgs和栅漏电压Vgd是基本上相同的(Vgs≈Vgd)。栅电压Vgis的动态特性由来自(一个或多个)电荷泵的电流(即栅电流)直接影响。另外，栅电压Vg量化(测量，确定，评估)MOSFET的偏置点，MOSFET的偏置点对于MOSFET的温度行为是重要的。栅电压是几伏(V)，使得评估电路的偏移和噪声(处于几毫伏(mV))基本上不相关。
现在参考图2，示例性n沟道高侧半导体开关布置包括高侧半导体开关，其在本示例中为n沟道MOSFET1，但可以是任何其它适当的半导体开关，诸如IGBT等。MOSFET1具有漏极D，漏极D连接至具有供电电压源2的(正)供电电压VS的正极P，供电电压源2的另一个(负)极N连接至地M并且通过负载3连接至MOSFET1的源极S。
MOSFET1的栅极G连接至驱动电路，该驱动电路包括两个电荷泵4和5，两个电荷泵的输出端连接至栅极G并且其供电线连接供电电压源2的正极VS和负极M。电荷泵4汲取较低的供电电流并且提供较低的电流IL给MOSFET1的栅极G。电荷泵5汲取较高的供电电流并且提供较高的电流IH给MOSFET1的栅极G，其中IL＜IH。至少电荷泵5是可控的。因此，如果期望接通MOSFET1(导电状态)，在本示例中有两个选项：(a)每次或者接通电荷泵4或者电荷泵5(活动的)，即，流入栅极G的电流IG(“栅电流”)为IL或IG；或者(b)电荷泵4永久地接通(活动的)并且视情况而定电荷泵5接通(活动的)和关断(不活动的)，即栅极电流IG为IL或者IL+IH。栅极电流IG生成MOSFET1的栅极G和源极S之间的栅-源电压Ugs以及MOSFET1的栅极G和漏极D之间的栅-漏电压Vgd，由此当MOSFET1接通(导电状态)时Vgd≈Vgs。电荷泵4和5旨在提供超过电压VS达栅-源电压Vgs(参考至地M)的预期大小的输出电压，并且可以有任何适合的类型，诸如例如自举类型，电容类型或电感类型变换器或其组合。
电平移位器6被供应栅-漏电压Vgd，并且将这个栅-漏电压Vgd移位为电压Uls，电压Uls参考至参考电势诸如内部生成的较低供电电压(这里称为内部供电电压R)，其在本情况中是电压VS以下的特定量(例如5V)。表示栅-漏电压Vgd并且因此表示栅-源电压Vgs的电压Vls被供应给可以展示或可以未展示迟滞行为的比较器7(如例如施密特触发器)用于与参考值(例如，供电电压VS或其部分)比较。比较器7(其也参考至内部供电电压R)评估表示移位的栅电压Vg的电压Uls，并且决定由电荷泵4提供的电流IL是足够的还是需要来自电荷泵5的升压以生成足够切换高侧开关1的栅电压Vg。由比较器7量化(测量，确定，评估)的状态由控制信号CS指示。
栅-源电压Vgs的测量可以正好在栅极路径中进行，以便用于测量栅-源电压Vgs的电路将基本上由电荷泵4供电。因为电荷泵具有相当差的效率并且测量电路需要相当高的供电电流，所以驱动器电路的整个功率消耗将是相对高的。在图2的驱动器电路中，将供电电压VS供应给测量/评估电路(这里为比较器7)。
在图3中示出了可应用于图2的驱动器电路中的简单的电平移位器和评估电路。图3的电路的电平移位器部分具有上分支8(泵送电压轨)和下分支9(高侧轨)。上分支8的一端形成电平移位器输入端并且连接至MOSFET1的栅极G并且另一端形成电平移位器输出端并且连接至比较器7的输出端。上分支8可以包括齐纳二极管10并且附加地或替代地包括单个二极管，二极管的串联电路11和/或二极管方式连接的晶体管12(栅源倍增器)中的一个。下分支9连接在比较器7的输入端(电平移位器输出端)和内部供电电压R之间，并且可以包括电流源方式连接的晶体管13并且附加地或替代地包括电阻器14和/或电流源15中的一个。在电平移位器部分，下分支9确定电流并且高侧分支8限制(确定)电压。
图4是另一电平移位器和评估电路的详细电路图。电平移位器高侧路径8(连接在电平移位器输入端(连接至MOSFET1的栅极G)和电平移位器输出端(连接至比较器7)之间)包括二极管方式连接的低压p沟道增强MOSFET16、齐钠二极管17和高压n沟道增强MOSFET18的漏-源路径的串联连接，高压n沟道增强MOSFET18的栅极连接至内部供电电压R以及其源极形成电平移位器的输出端。特别地，MOSFET16的源极连接至栅电压Vg并且其栅极以及漏极连接至齐钠二极管17的阴极，齐钠二极管17的阳极连接至MOSFET18的漏极。电平移位器低侧路径9(连接在电平移位器输出端和内部供电电压R之间)包括电流源方式连接的低压n沟道耗尽MOSFET19。
随后的比较器7是施密特触发器，其输入端由低压n沟道增强MOSFET20的栅极形成。MOSFET20的漏极经由电流源方式连接的低压n沟道耗尽MOSFET21连接至内部供电电压R并且直接连接至其源极连接至电压VS的低压p沟道增强MOSFET22和其源极连接至内部供电电压R的低压n沟道增强MOSFET23的耦合栅极。MOSFET22和23的漏极彼此耦合，与低压p沟道增强MOSFET24和低压n沟道增强MOSFET25的耦合栅极耦合，以及与低压p沟道增强MOSFET26的栅极耦合。其源极连接至电压VS的MOSFET24的漏极以及其源极连接至地M的MOSFET25的漏极彼此耦合以形成比较器7的输出端，在输出端提供控制信号CS。MOSFET26的源极连接至电压VS并且其漏极连接至MOSFET20的源极和低压p沟道增强MOSFET27的漏极，MOSFET27的源极连接至电压VS并且其栅极连接至其漏极。MOSFET19，21，23和25的体端子连接至内部供电电压R；MOSFET16，22和24的体端子连接至电压VS；并且MOSFET18，20，26和27的体端子连接至基底。
当MOSFET16提供额外的电平移位来补偿由MOSFET26和27建立的迟滞电路引起的电压降时，齐纳二极管17维护基本的电平移位(例如6.2V)。为了给比较器7提供足够的保护以防电压尖峰，MOSFET18是高压晶体管。MOSFET19用作由MOSFET1的栅电压供电的电流源(例如100nA)。MOSFET21用作为由供电电压VS供电的另一电流源(例如500nA)。MOSFET20的栅极形成比较器7的输入端。MOSFET27限定一个迟滞条件并且MOSFET26限定另一个迟滞条件，即两个参考值。例如，MOSFET1的栅极G可以完全充电至6.2V的电压。如果栅极G处的电压降到4.5V以下，可激活(升压)电荷泵5直到达到例如5.5V电压，在这个电压下再次去激活电荷泵5。因此，经由由MOSFET16建立的MOS二极管和齐纳二极管10，栅极G处的电压向下移位了大约7V以供应给MOSFET20的栅极。如果MOSFET20的栅极处的电压降到较高参考值以下或者超过较低参考值，电荷泵15被打开或关闭(并且电荷泵4可以关闭和打开，如果不是常导通)。
图5图示了高侧半导体开关驱动器电路，其输出电流以及因此其功率消耗依赖于MOSFET1的栅电压而连续可控。仅提供一个电荷泵28，其可为时控电容性或电感性DC-DC变换器。例如，通过依赖于MOSFET1的栅电压的栅电压来控制电荷泵28的时钟频率，可以控制电荷泵28的输出电流和功率消耗。MOSFET1的栅电压通过电平移位器29获取并且被移位到电荷泵28能够处理的电压范围中。电平变换器29的输入端连接至MOSFET1的栅极G并且其输出连接至电荷泵28，由此电平移位器29参考至电压VS以及电荷泵28参考至地M。电荷泵28可以由经由控制线路CL供应的控制信号来接通和关断。
因此，上面描述的高侧半导体开关生成功率用于例如经由(一个或多个)电荷泵4和5、或28控制高侧半导体开关(1)。高侧半导体开关(1)具有控制端子(G)并且功率允许生成栅电压Vg的电流流入高侧半导体开关(1)的控制端子(G)以切换高侧半导体开关(1)。高侧半导体开关(1)的控制端子(G)处的最小电压例如由比较器7或者可控电荷泵28通过电平移位器6或29量化(测量，确定，评估)。由(一个或多个)电荷泵4和5、或28提供的功率依赖于高侧半导体开关(1)的控制端子(G)处的电压，以便当控制端子(G)处的电压指示由来自(一个或多个)电荷泵的电流生成的栅电压Vg不足够切换高侧半导体开关(1)时增加所提供的电流，例如如果期望切换的话。
虽然示出的示例仅使用了n沟道增强模式MOSFET，但是也可以采用p沟道增强模式MOSFET，n沟道耗尽模式MOSFET，p沟道耗尽模式MOSFET。
虽然已相对于其特定实施例描述了本发明，但是许多其它变化和修改以及其它用途对于本领域技术人员来说将变得显而易见。因此，优选的是本发明不由本文中的特定公开限制，而仅由所附的权利要求限制。

Claims (15)

1.一种高侧半导体开关驱动器电路，包括：
可控电荷泵电路，可操作用于控制高侧半导体开关，其中高侧半导体开关具有控制端子并且电荷泵电路提供电流给高侧半导体开关的控制端子用于切换高侧半导体开关；以及
耦合至电荷泵电路的评估电路，评估电路可操作用于量化高侧半导体开关的控制端子处的电压并且依赖于高侧半导体开关的控制端子处的电压来控制电荷泵电路，以便当控制端子处的电压指示电流不足够切换高侧半导体开关时，增加由电荷泵电路提供的电流。
2.根据权利要求1的高侧开关驱动器电路，其中评估电路包括具有输入端和输出端的电平移位器，电平移位器的输入端被供应高侧半导体开关的控制端子处的电压，其中电平移位器配置为将供应到其输入端的高侧电平移位至在其输出端处提供的低侧电平。
3.根据权利要求2的高侧开关驱动器电路，其中电平移位器具有上分支和下分支，上分支耦合在电平移位器输入端和电平移位器输出端之间，电平移位器包括二极管，齐纳二极管，二极管串联电路，栅-源倍增器和二极管方式连接的晶体管中的至少一个，下分支耦合在电平移位器输出端和参考电势之间并且包括晶体管，电阻器和电流源中的至少一个。
4.根据权利要求2的高侧开关驱动器电路，其中评估电路进一步包括：比较器，耦合在电平移位器输出端的下游和电荷泵电路的上游，比较器配置为比较由电平移位器提供的低电平信号和参考信号以在其输出端处提供数字信号。
5.根据权利要求2的高侧开关驱动器电路，其中评估电路进一步包括：施密特触发器，耦合在电平移位器输出端的下游和电荷泵电路的上游，施密特触发器配置为比较由电平移位器提供的低电平信号和两个参考信号以在其输出端处提供数字信号。
6.根据权利要求2的高侧开关驱动器电路，其中评估电路进一步包括：线性控制电路，耦合在电平移位器输出端的下游和电荷泵电路的上游，线性控制电路配置为在其输出端处提供模拟信号。
7.根据权利要求1的高侧开关驱动器电路，其中可控电荷泵电路包括线性可控电荷泵。
8.根据权利要求1的高侧开关驱动器电路，其中可控电荷泵电路包括多个可切换电荷泵，每个可切换电荷泵至少依赖于高侧半导体开关的控制端子处的电压来切换为活动或不活动。
9.根据权利要求8的高侧开关驱动器电路，其中在任何时间，电荷泵中的最小一个切换为活动。
10.根据权利要求8的高侧开关驱动器电路，其中依赖于高侧半导体开关的控制端子处的电压，多达所有的电荷泵是同时活动的。
11.根据权利要求10的高侧开关驱动器电路，其中电荷泵可操作用于提供不同强度的电流。
12.根据权利要求1的高侧开关驱动器电路，其中高侧半导体开关包括增强或耗尽模式半导体。
13.根据权利要求12的高侧开关驱动器电路，其中增强或耗尽模式半导体是金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管，控制端子是金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管的栅极端子。
14.根据权利要求1的高侧开关驱动器电路，其中高侧开关驱动器电路由开关控制信号控制。
15.一种高侧半导体开关驱动方法，包括：
生成用于控制高侧半导体开关的功率，其中高侧半导体开关具有控制端子并且所述功率允许在控制端子处生成电压的电流流入高侧半导体开关的控制端子以切换高侧半导体开关；
量化高侧半导体开关的控制端子处的电压；以及
依赖于高侧半导体开关的控制端子处的电压控制所述功率，以便当控制端子处的电压指示电流不足够切换高侧半导体开关时，增加提供的电流。
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