CN104821816B - 一种用于半桥驱动中的电平位移电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于半桥驱动中的电平位移电路，包括恒定电流源、输入级三极管、与恒定电流源相匹配的电流镜、负载电阻、第一分压电路、第二分压电路和反相器，第一分压电路由至少两个承压三极管串联而成，第二分压电路由多个分压电阻串联而成，分压电阻的数量为承压三极管数量加一，电流镜采用两个同型号的三极管背靠背连接构成，反相器是由输出级三极管和限流电阻串联组成，恒定电流源的正极与VDD相连，输入信号端IN连接输入级三极管的基极，半桥驱动电路的输出信号端OUT连接在输出级三极管和限流电阻之间的支路上。本发明极大地简化了半桥驱动电路的半导体制造工艺，电路结构简单，成本低，采用恒流驱动的方式，降低了电路功耗，增强了其可靠性。

Description

一种用于半桥驱动中的电平位移电路

技术领域

本发明涉及高压半桥驱动电路技术领域，具体地说是一种用于半桥驱动电路中的单脉冲高压电平位移电路。

背景技术

在高压半桥驱动电路中，由微控制器输入PWM信号，通过半桥驱动电路同时驱动两个功率器件(MOSFET或者IGBT)，其中一个是高边开关，另一个是低边开关。低边的信号传输是在相同的电源域中，而高边的信号传输是在两个不同的电源域中传输，要使信号有效传输就必须要用到电平位移电路。

在现有技术中，通常需要制造高压器件来实现电平位移。如图1所示，为现有常用的半桥驱动电路高边信号的传输电路拓扑结构。为了描述方便，对下面图中各种符号给出统一定义：VDD为半桥驱动电路的电源电压，GND为电源地，IN为微控制器的PWM输入信号端，OUT为半桥驱动电路的输出信号端，VB为高压侧驱动电路的浮动电源电压，VS为浮动地。输入信号IN位于VDD～GND的电源域中，输出信号OUT位于VB～VS的电源域中，且VB～VS的电源域要远高于VDD～GND的电源域，通常VDD为10～20V，而VB在60V以上，甚至可高达几百伏。两个NMOS晶体管104、105需要承受VB到GND之间的高压，如在电动车的应用中，该电压高达60V～150V。输入信号IN经过脉冲产生电路101产生NMOS晶体管104和105的开启信号，当NMOS晶体管104开启而NMOS晶体管105关闭时，RS触发器106的R端为0，S端为1，则OUT输出为1；当NMOS晶体管104关闭而NMOS晶体管105开启时，RS触发器106的R端为1，S端为0，则OUT输出为0。上述的“1”信号代表高电平VB，“0”信号代表低电平VS。由于VB到GND间的电压为高压，当NMOS晶体管104和105开启时，会有大电流从电阻102或者103流过，如果持续时间很长，则功耗很大，所以现有技术通常会在输入信号IN后加入脉冲发生电路，产生短时间的高脉冲，用于开启NMOS晶体管104或105。由于只是脉冲电平来开启NMOS晶体管104和105，因此为了保持信号的正确，必须加入RS触发器106用来锁存输出信号。

由此可见，现有技术中使用单晶体管来承受高压，这样不仅增加了集成电路制造工艺的难度，导致工艺过程复杂，光刻层次较多，且为了降低电路功耗，在电路中增加脉冲产生电路和锁存电路，从而带来整体电路成本的大幅增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在普通简单的低压半导体制造工艺上实现的半桥驱动电平位移电路，解决半桥驱动电路对高压器件的依赖，通过电阻串联分压的原理，对VB到GND间的电压进行分压处理，从而简化电路设计，降低了电路成本，并增强了电路的可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种用于半桥驱动中的电平位移电路，包括恒定电流源、输入级三极管、与恒定电流源相匹配的电流镜、负载电阻、第一分压电路、第二分压电路和反相器，所述第一分压电路是由至少两个承压三极管串联而成，所述第二分压电路是由多个分压电阻串联而成，分压电阻的数量为承压三极管数量加一，所述第二分压电路中所串联的所有分压电阻的阻值相同，所述恒定电流源的正极与VDD相连，负极连接输入级三极管的集电极，输入信号端IN连接输入级三极管的基极，输入级三极管的发射极连接电源地GND，所述电流镜采用同型号的第一三极管和第二三极管背靠背连接构成，所述第一三极管和第二三极管为NPN型双极型晶体管，第一三极管的基极和第二三极管的基极相连，第一三极管的发射极和第二三极管的发射极接电源地GND，第一三极管的集电极连接恒定电流源的负极，第二三极管的集电极连接第一分压电路的一端，并从第一三极管的基极和第二三极管的基极之间引出一条支路连接至恒定电流源的负极，所述电流镜的输入端连接恒定电流源的负极，输出端与第一分压电路的一端相连，第一分压电路的另一端连接负载电阻的一端，负载电阻的另一端与高压侧驱动电路的浮动电源电压VB相连，所述第二分压电路的一端与高压侧驱动电路的浮动电源电压VB相连，另一端连接电源地GND，且所述第一分压电路中所有承压三极管的基极依次连接至所述第二分压电路中相邻两个分压电阻之间引出的支路，所述反相器是由输出级三极管和限流电阻串联组成，限流电阻的一端与输出级三极管的集电极相连，另一端与浮动地VS相连，输出级三极管的发射极连接高压侧驱动电路的浮动电源电压VB，输出级三极管的基极连接至负载电阻和第一分压电路之间引出的支路，半桥驱动电路的输出信号端OUT连接在输出级三极管和限流电阻之间的支路上。

作为本发明的一种改进，所述恒定电流源能够通过普通电流镜镜像产生，其值为微安级别。

作为本发明的一种改进，所述输入级三极管采用NPN型双极型晶体管，所述输出级三极管采用PNP型双极型晶体管，所述承压三极管采用同型号的NPN型双极型晶体管。

相对于现有技术，本发明通过第二分压电路，即利用电阻串联分压的原理，对VB到GND间的电压进行分压处理，并在每个分压节点上连接NPN型双极型晶体管的基极，通过NPN型双极型晶体管串联形成第一分压电路进行分压，这样就将VB到GND间的电压均分在串联的NPN型双极型晶体管上，从而降低每个承压三极管所承受的电压，最终能够使用普通简单的低压半导体制造工艺实现半桥驱动电路中的高压电平位移电路，极大地简化半桥驱动电路的半导体制造工艺，不必使用复杂昂贵的高压半桥工艺，简化电路设计复杂度，降低了电路成本；电路的输入端采用恒流驱动的方式，大大降低了电路的功耗，并简化了电路结构，在一定程度上增强了电路的可靠性。

附图说明

图1为现有半桥驱动电路中常用的电平位移电路拓扑结构图。

图2为本发明所提出的电平位移电路的拓扑结构图。

图3为本发明实施例的电平位移电路图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。

如图2—图3，一种用于半桥驱动中的电平位移电路，包括恒定电流源201、输入级三极管202、与恒定电流源相匹配的电流镜1、负载电阻207、第一分压电路3、第二分压电路4和反相器2。所述第一分压电路3是由第一承压三极管205和第二承压三极管206串联而成，所述第一承压三极管205和第二承压三极管206采用同型号的NPN型双极型晶体管，所述第一承压三极管205的集电极连接第二承压三极管206的发射极，第一承压三极管205的发射极连接第二三极管204的集电极，第二承压三极管206的集电极连接负载电阻207的一端。所述恒定电流源201的正极与VDD相连，负极连接输入级三极管202的集电极。所述输入级三极管202采用NPN型双极型晶体管，所述恒定电流源201可以通过普通电流镜镜像产生，其为微安(uA)级别电流。输入信号端IN连接输入级三极管202的基极，输入级三极管202的发射极连接电源地GND。所述电流镜1采用同型号的第一三极管203和第二三极管204背靠背连接构成，具体为第一三极管203和第二三极管204为NPN型双极型晶体管，第一三极管203的基极和第二三极管204的基极相连，第一三极管203的发射极和第二三极管204的发射极接电源地GND，第一三极管203的集电极连接恒定电流源201的负极，并从第一三极管203的基极和第二三极管204的基极之间引出一条支路连接至恒定电流源201的负极。负载电阻207的一端连接第二承压三极管206的集电极，另一端与高压侧驱动电路的浮动电源电压VB相连。所述第二分压电路4是由分压电阻208、209和210依次串联而成，且分压电阻208、209和210的阻值按照1:1:1设计，分压电阻208一端与高压侧驱动电路的浮动电源电压VB相连，分压电阻210连接电源地GND。第二承压三极管206的基极连接至分压电阻208和209之间引出的支路，第一承压三极管205的基极连接至分压电阻209和210之间引出的支路。所述反相器2是由输出级三极管211和限流电阻212串联组成，限流电阻212的一端与输出级三极管211的集电极相连，另一端与浮动地VS相连，输出级三极管211的发射极连接高压侧驱动电路的浮动电源电压VB，输出级三极管211的基极连接至负载电阻207和第二承压三极管206的集电极之间引出的支路，半桥驱动电路的输出信号端OUT连接在输出级三极管211和限流电阻212之间的支路上。所述输出级三极管211采用PNP型双极型晶体管。

当输入信号端IN输入的电压值>0.7V时，输入级三极管202开启，恒定电流源201电流全部从输入级三极管202通过，则第一三极管203和第二三极管204关闭，C点电压等于VB，输出级三极管211关闭，输出信号等于VS，即VB～VS电源域中的低电平，分压电阻208～210将VB到GND间的电压三等分，即A点电压Va＝2/3VB，B点电压Vb＝1/3VB，则第二三极管204承受电压为1/3VB-Vbe，第一承压三极管205承受电压为(2/3VB-Vbe)-(1/3VB-Vbe)＝1/3VB，第二承压三极管206承受电压为VB-(2/3VB-Vbe)＝1/3VB+Vbe，由于Vbe远小于VB，所以第二三极管204、第一承压三极管205和第二承压三极管206承受的电压基本相同，都为1/3VB，单个晶体管的击穿电压只要大于1/3VB就可以，这样实现了使用多个低压晶体管来完成更高电压的电平位移电路功能。

当输入信号端IN输入的电压值<0.7V时，输入级三极管202关闭，则恒定电流源201电流全部从第一三极管203通过，第二三极管204通过镜像也流过相同的电流，负载电阻207、第一承压三极管205、第二承压三极管206和第二三极管204串联，也流过相同电流，则在负载电阻207上产生的压降为I*R，通过设计电流和负载电阻207的大小，使IR大于输出级三极管211的开启电压Vbe，则输出级三极管211开启，输出信号端OUT输出VB，即VB～VS电源域中的高电平。

此外，由于使用了恒流驱动的方式，这样在第二三极管204打开时，限制了VB到GND间的电流，降低电路功耗，从而可以让第二三极管204一直打开，不需要使用脉冲发生电路产生窄脉冲，从而也不要锁存器来锁存输出信号。

需要说明的是上述实施例为最佳实施例，实施例中使用3个电阻和3个晶体管串联的方式来实现，当然也可以使用2个、4个、5个甚至更多个晶体管来实现，实施例中使用了双极型晶体管来实现，当然也可以使用MOS晶体管来实现同样的功能，因此上述实施例并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (3)

1.一种用于半桥驱动中的电平位移电路，其特征在于：包括恒定电流源、输入级三极管、与恒定电流源相匹配的电流镜、负载电阻、第一分压电路、第二分压电路和反相器，所述第一分压电路是由至少两个承压三极管串联而成，所述第二分压电路是由多个分压电阻串联而成，分压电阻的数量为承压三极管数量加一，所述第二分压电路中所串联的所有分压电阻的阻值相同，所述恒定电流源的正极与VDD相连，负极连接输入级三极管的集电极，输入信号端IN连接输入级三极管的基极，输入级三极管的发射极连接电源地GND，所述电流镜采用同型号的第一三极管和第二三极管背靠背连接构成，所述第一三极管和第二三极管为NPN型双极型晶体管，第一三极管的基极和第二三极管的基极相连，第一三极管的发射极和第二三极管的发射极接电源地GND，第一三极管的集电极连接恒定电流源的负极，第二三极管的集电极连接第一分压电路的一端，并从第一三极管的基极和第二三极管的基极之间引出一条支路连接至恒定电流源的负极，第一分压电路的另一端连接负载电阻的一端，负载电阻的另一端与高压侧驱动电路的浮动电源电压VB相连，所述第二分压电路的一端与高压侧驱动电路的浮动电源电压VB相连，另一端连接电源地GND，且所述第一分压电路中所有承压三极管的基极依次连接至所述第二分压电路中相邻两个分压电阻之间引出的支路，所述反相器是由输出级三极管和限流电阻串联组成，限流电阻的一端与输出级三极管的集电极相连，另一端与浮动地VS相连，输出级三极管的发射极连接高压侧驱动电路的浮动电源电压VB，输出级三极管的基极连接至负载电阻和第一分压电路之间引出的支路，半桥驱动电路的输出信号端OUT连接在输出级三极管和限流电阻之间的支路上。

2.如权利要求1所述的一种用于半桥驱动中的电平位移电路，其特征在于，所述恒定电流源能够通过普通电流镜镜像产生，其值为微安级别。

3.如权利要求1所述的一种用于半桥驱动中的电平位移电路，其特征在于，所述输入级三极管采用NPN型双极型晶体管，所述输出级三极管采用PNP型双极型晶体管，所述承压三极管采用同型号的NPN型双极型晶体管。