CN1109699A - 半桥激励电路 - Google Patents

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Abstract

一种半桥激励电路，包括一个下激励模件和一个 浮动的上激励模件，用以激励高压半桥相应的外部上 下功率晶体管。该电路设在一个集成电路芯片上。 集成电路芯片上有一个自举二极管仿效器，用以对供 电给上激励模件的外自举电容器充电。上激励器装 在一绝缘阱中，二极管仿效器则有一个沿阱外围形成 的LDMOS晶体管作为其主载流元件。使LDMOS 晶体管激励到导通状态，在此同时使下功率晶体管也 激励到导通状态。

Description

半桥激励电路
本发明涉及一种高压半桥电路，该电路中负荷的一端从两个串联在高压直流电源两端的交替导通的上下功率晶体管之间汇接点处的输出端激励。本发明特别涉及一种给自举电容器充电的电路，自举电容器给控制着上晶体管状态的上激励电路提供浮动在输出端的电压上的自举电源电压。
高压半桥电路可用在气体放电灯的电子镇流器、切换式电源、电动机驱动和直流/交流变换器等装置中。
从1991年元月29日批准的美国专利4,989,127可以了解到上述那种半桥激励电路的情况。这种电路多数都装设成高压集成电路(HVIC)。该专利已转让给本申请的同一受让人，这里将其包括进来供参考。该专利公开了激励电路的一般结构，包括分别用以控制上下功率晶体管的上下激励器。上激器有一个CMOS(互补金属氧化物半导体)线路位于HVIC内的浮动阱中。由于阱外围的设计与用以构成横向扩散型金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管等效，因而该浮动CMOS线路与HVIC其余部分之间的击穿电压相当可观。上激励器由一个自举电容器供电。
对应于美国专利4,908,551的欧洲专利申请031810公开了一种半桥电路，该电路和目前的一般半桥电路一样，给上激励器供电的自举电容器由低压电源电压经一个二极管充电。后一低电压是在芯片外的一个高压二极管两端形成的。
这里提出的这种高压集成电路半桥激励电路中，自举电容器及其充电所必经的二极管都是设在芯片外的分立元件。这是因为自举电容器目前需要的电容值超过50纳法(nf)，大得不宜在芯片上制取，而且自举电容器充电二极管的击穿电压和所需的峰值电流容量迄今也被认为是在HVIC空间合理造价所能承担得起的能力之外。
这些分立元件昂贵，而且装在HVIC中并不如想象得那么可靠。
本发明的目的是提供一种装有仿效给自举电容器充电的、其击穿电压和电流容量都足够的二极管的芯片线路的高压集成电路半桥激励电路。
简单说来，本发明的上述和其它目的是通过一种激励电路实现的，该电路有一个单片集成电路芯片，用以激励由连接在高压直流电源的输出端与相应上下干线之间的上下功率晶体管组成的半桥，并用以给设在芯片外的给芯片上的控制上功率晶体管的上激励模件供电的自举电容器充电。自举电容器的一端接半桥的输出端。按照本发明，芯片上设有自举二极管仿效装置，用以将自举电容器充电到自举电压。自举二极管仿效装置的另一个晶体管，其高电流的第一电极接芯片上电压较低的电源输出端，其高电流的第二电极适宜接自举电容器的另一端，其作控制的第三电极则与从芯片上下激励器指令信号获得的另一个控制信号耦合，供下功率晶体管激励到导通状态时激励该另一个晶体管使其导通。
上激励模件装在单片集成电路芯片上形成的绝缘阱中，所述另一个晶体管则由一个细长的LDMOS晶体管组成，沿阱的外围部分形成，其第一、第二和第三电极分别为该LDMOS晶体管的源极、漏极和栅极。流过LDMOS晶体管的电流垂直于阱的外围流动，因而可以通过选择LDMOS沿阱外围的适当长度获取所要求的载流量。LDMOS的击穿电压受阱外围绝缘性能的控制，因为这种浮动阱的外围结构被制成与用来形成LDMOS的结构等效。
为了使LDMOS晶体管自动地只有在下功率晶体管受激导通时导通，上述另一个控制信号由一个缓冲器提供，该缓冲器接受下激励器的指令信号，以产生电压范围在下干线与较低电源电压之间的缓冲输出信号。此外还配备了电压范围转换装置，用以将缓冲器输出信号的电压范围转换到与LDMOS晶体管栅极相接的一点与其源极之间的电压差的范围。
按照本发明的另一个有助于防止LDMOS晶体管因下功率晶体管截止时产生的尖峰电压而误受激进入导通状态的特点，还配备了另一个晶体管，用以根据与LDMOS晶体管栅极串联的电阻器两端产生的电压，将栅极箝位到该晶体管的源极上，该电压则由于LDMOS晶体管的密勒电容(Miller capacitance)中流有泄漏电流而耦合在其漏极与栅极之间。
结合附图仔细阅读下面的详细说明可以清楚了解本发明的其它目的、特点和优点。附图中：
图1是本发明激励电路的原理图，其中，设在集成电路芯片上的元件都在标有IC的虚线方框中。
图2是对应于图1的虚线方框IC的集成电路芯片的平面图，包括形成高压LDMOS T3的细长部位。
首先参看图1，图中示出了本发明的、装在单片高压集成电路IC中用以激励由串联在高压(达500伏左右)直流电源两端的功率MOSFET(金属氧化物场效应晶体管)T1和T2构成的外半桥的激励电路。半桥和激励器总的电路结构与上述美国专利4,989,127中所示和所述的相同，只是按本发明在芯片上增设了自举二极管仿效电路BDE。
在半桥中，功率晶体管T1的漏极接直流电源的高侧或上干线(如图1中电位Vcc所示)，因而称功率晶体管T1为上晶体管；而功率晶体管T2的源极接直流电源的低侧或下干线(如图中电源地电位所示)，因而称功率晶体管T2为下晶体管。上晶体管T1的源极和下晶体管T2的漏极连接在半桥的输出端OUT上，该输出端也与负荷LD的一端连接。用来供电，例如给气体放电灯供电时，负荷的另一端可以通过连接到跨接在直流电源两端的容性分压器(图中未示出)中点使其电位保持在电源电压的一半。众所周知，晶体管T1和T2是按高频(高于20千赫)重复周期(例如100千赫左右)的切换方式工作的，即各晶体管在每周期期间两时段或阶段的其中一个不同时段内导通，两时段彼此被大约500纳秒(ns)的较小死区所分隔。由于在许多应用中负荷LD总有略带感性的阻抗，因而二极管D1和D2分别为T1和T2本身的二极管。因此二极管D1和D2显然不是必需的。D1旨在限制输出端OUT在下功率晶体管T2截止时产生的正瞬变电压，二极管D2旨在限制输出端在上功率晶体管T1截止时产生的负瞬变电压。
这些周期由控制器CON确定。控制器CON根据外输入信号IN产生实质上为二进制的指令信号INL及其相反逻辑信号INML，供控制下晶体管T2的导通状态，并通过电平移位器LS产生脉冲指令信号TON和TOFF，供控制上晶体管T1的导通状态。指令信号INL只有在下晶体管T2要受激导通时在该时段或阶段期间才有一种二进制状态。指令信号TON和TOFF是以脉冲形式提供的，其目的在于增强对干扰和过渡过程的抗衡。TON和TOFF分别表示上晶体管T1应导通和截止的时刻。下晶体管指令信号INL和INNL加到下激励模件DL上，该模件根据该信号激励下晶体管T2的栅极GL，使下晶体管只在下晶体管指令信号所确定的阶段期间导通。同样，指令信号TON和TOFF加到上激励模件DU上，该模件根据该信号激励上晶体管T1的栅极GU’使上晶体管在上晶体管指令信号所确定的阶段期间导通。上激励模件DU中的一个R/S(复位/置位)触发器(图中未示出)将指令信号TON和TOFF转换成类似INL和INNL的二进制形式，以便上激励模件的其余部分可以设计成与下激励模件DL一样。
下激励模件DL由较低的电源电压Vdd(例如12伏)供电，上激励模件由大约70纳法的外自举电容器C1两端的电压V1供电，电容器C1大得使其若在集成电路IC上制取，在面积上所花的代价太大。自举电容器C1的另一端经芯片上的自举二极管仿效器BDE耦合到电源电压Vdd，使得当输出端OUT在下晶体管T2导通期间基本上保持地电位时，充电电流流入C1，于是使电压V1等于Vdd去BDT和T2两端的任何小压降。
现在参看图2。在家知道，上激励模件DU在集成电路芯片IC内由一个在绝缘阱WL内形成的CMOS线路组成。例如一个N阱，周围环绕有P介质。因此，阱WL由类似制取LDMOS晶体管所使用的结构将其与集成电路的其余部分分隔开。高压二极管不能用p-n结隔离技术集成，因为这样会产生大的基底电流，从而破坏其它线路的工作。按照本发明的原理，设在芯片上的自举二极管仿效器由沿阱WL外围形成的LDMOS T3组成。LDMOS T3本来就有和阱介质一样的击穿电压(超过500伏)，且由于电流垂直于阱外围流动，因而通过选择其形成所沿着的阱外围的长度可以使其有足够的载流容量。此外，LDMOS T3并不须要占用额外的地方，但在集成电路上还是须要有小量的辅助面积供激励T3的线路使用，使T3只有在下晶体管T2受激导通时才导通。
从图1可看出，LDMOS T3是以源极跟随器的方式工作的，其源极S接Vdd，漏极D接自举电容器C1较高电压端。T3导通时，漏极升高至Vdd。T3的后栅极B接电压低于Vdd的有三个二极管压降的一点。这个偏压由三个串联连接的、被后栅与地之间的陷流器(current sink)CS保持导通的二极管D5-D7产生。从图中可以看到，后栅B与漏极之间还形成有寄生二极管D3。由于后栅加有偏压，因而需要4伏的栅-源电压来使LDMOS晶体管T3导通。
为使LDMOS晶体管T3在下功率晶体管T2受激导通时导通，往缓冲放大器BUF上加低激励指令信号INL，于是放大器BUF的输出端OB处产生下功率晶体管T2受激导通时处于电压Vdd的、而不导通时电压为O的信号。此电压加到较小的第二个自举电容器C2的一端，电容器C2的另一端P经二极管D4耦合到电源电压Vdd上。自举电容器C2的电容值至少为晶体管T3栅极电容的5倍。缓冲器BUF的输出阻抗小到足以使第二自举电容器C2经二极管D4充电到等于Vdd减去一个二极管压降的电压V2。这有这样的作用，即，使缓冲器输出端OB的电压(大于一个二极管压降)范围出现朝P点与LDMOS晶体管T3的源极S之间的方向转移。P点经大约5千欧的电阻器R与晶体管T3的栅极G连接。该电阻器用来产生使发射极、基极和集电极分别接T3的栅极、P点和Vdd的PNP晶体管T4导通的电压。为防止LDMOS晶体管T3因输出端OUT处的切换瞬变过程而误导通，晶体管T4根据电阻器R两端因流过CGD的密勒电流而产生的电压自动将晶体管T3的栅极下拉到Vdd。这个电流是由输出端OUT的输出电压从0伏转入Vcc、LDMOS晶体管T3的漏极转到相应范围时电压正向高速变化引起的，而这本来是会使栅极电容充电到导通电平的。因此，自举二极管仿效器BDE只有在自举二极管应该导通从而使自举电容器C1适当充电时才接通。
显然，现在本发明的目的在各方面都得到了满足。此外，虽然以上就本发明作了特别详细的说明，但应该理解的是，本发明的原理有其广泛的适用性。因此，在不脱离本发明精神实质和范围的前提下，是可以对上述各细节进行种种修改的。

Claims (5)

1.一种半桥激励电路，由连接在高压直流电源的输出端与相应的上下干线之间的上下两个功率晶体管构成，用以给具有第一第二两端的一个自举电容器充电，该第一端接所述输出端，所述电路的特征在于，它包括：
控制和电平移位装置，同以产生上下激励指令信号，供控制激励所述各上下功率晶体管，使其不致同时导通；
电源装置，用以在电源输出端产生比所述较低干线低的控制电压；
一个下激励模件，与电源输出端连接，由所述较低的控制电压供电，该模件具有信号施加装置，供根据所述下激励指令信号将下激励控制信号加到下功率晶体管的控制极与下干线之间；
一个上激励模件，适宜接所述自举电容器，以便由所述自举电容器两端的自举电压供电，该模件有一个信号施加装置，同以根据所述上激励指令信号将上激励控制信号加到上功率晶体管的控制极与所述输出端之间；和
自举二极管仿效装置，用以将所述自举电容器充电到所述自举电压，所述自举二极管仿效装置还有一个晶体管，该晶体管的高电流的第一电极接所述电源输出端，晶体管的高电流的第二电极适宜接自举电容器的另一端，晶体管的作控制用的第三电极耦合到一个装置上，该装置用以从所述下激励指令信号获取另一个控制信号，用以使所述另一个晶体管在下功率晶体管受激导通时受激导通。
2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，它包括单个单片集成电路芯片。
3.如权利要求2所述的电路，其特征在于，所述上激励模件装在单片集成电路芯片上形成的绝缘阱中，且所述另一个晶体管由沿所述阱的一部分外围形成的细长LDMOS晶体管构成，所述另一个晶体管的第一、第二和第三电极分别为所述LDMOS晶体管的源极、漏极和栅极。
4.如权利要求1、2或3所述的电路，其特征在于，它还包括控制信号获取装置，用以从所述下激励指令信号获取所述另一个控制信号，所述获取装置有一个缓冲器，加有所述下激励指令信号时产生电压范围在所述下干线与所述较低电源电压之间的缓冲器输出信号，所述获取装置还有一个电压范围转换装置，用以将所述缓冲器输出信号的电压范围转换到与所述作控制用的第三电极耦合的一点与所述高电流的第一电极之间的电压差范围。
5.如以上一个或多个权利要求所述的电路，其特征在于，所述用以从所述下激励指令信号获取所述另一控制信号的装置还有一个箝位装置，用以根据流经耦合在第二与第三电极之间的所述另一晶体管的密勒电容中的位移电流，将所述第三电极箝位到所述另一晶体管的所述第一电极上。
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