CN1248415C - 半桥驱动器和具有这种驱动器的功率变换系统 - Google Patents

半桥驱动器和具有这种驱动器的功率变换系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种半桥驱动器，包括：第一和第二电源开关，其与它们相应的电流路径相串联；脉冲发生器，用于生成电压脉冲波形，其用于驱动所说的第一电源开关(33)；第一电流发生器(11)，用于为所说的电压脉冲波形的每一个负的脉冲波前生成电流脉冲；第二电流发生器(12)，用于为所说的电压脉冲波形的每一个正的脉冲波前生成电流脉冲；差动电流接收器电路(27)，其连接到所说的第一和第二电流发生器，并用于生成输出信号(ILATCH)，该输出信号等于流过所说的电流发生器(11，12)的电流的差值，所说的输出信号用于驱动所说的第二电源开关(31)。

Description

半桥驱动器和具有这种 驱动器的功率变换系统
技术领域
本发明涉及一种半桥功率级驱动器，包括第一和第二电源开关，与它们相应的电流路径相串联，脉冲发生器，用于生成电压脉冲波形，其被设置为驱动所说的第一电源开关，第一电流发生器，用于为所说的电压脉冲波形的每一个下降沿生成电流脉冲，第二电流发生器，用于为所说的电压脉冲波形的每一个上升沿生成电流脉冲。
有益地，本发明可以用于需要高速运转并需要低功耗的功率变换系统中，例如在马达驱动器中，并特别是在音频功率放大中。
背景技术
半桥是一种包括两个电源开关(例如，晶体管)的功率变换器，一个被称为低端晶体管，另一个被称为高端晶体管。每一个晶体管都由单独的驱动电路驱动，即，低端驱动器和高端驱动器。
在当前技术中，已知的高端驱动器的控制系统包括一种脉冲技术，其中，窄的置位和复位电流脉冲被传输到高端驱动器，在该高端驱动器中，设置了一个锁存器以恢复原始的控制信号。从美国专利No.5,514,981“Reset dominant level-shift circuit for noise immunity”和专利No.5,105,099“Level shift circuit with common mode rejection”中了解到这样的系统。
在脉冲控制中，主要问题是从电流脉冲发生器中的寄生电容产生的置位和复位节点的电流路径中的共模dv/dt感应电流。输出级的输出端子处的dv/dt(失调电压)可以达到非常高的水平-由此甚至非常小的寄生电容都会导致dv/dt共模感应电流。共模噪声可能会导致输出开关的错误操作，从而导致功率级中的击穿(shoot-through)。
通常，电流脉冲在高端驱动器中通过两个上拉电阻已被转换为电压脉冲。这种方法本身不提供任何共模抑制，因此，需要另外的电路。
解决由于共模噪声所造成的问题的一种方式是添加低通滤波并调整置位/复位电平的阈值，以便获得复位控制函数(dominantfunction)，导致比较可预测的操作。令人遗憾的是，这种方法由于低通滤波而破坏速度和功率效率，这要求提高电流脉冲的宽度。
另一种方法是在所说的上拉电阻之后添加逻辑电路以抑制共模信号；然而，这涉及门电路的量。
通过降低门驱动电压，优选情况下，降低到逻辑电平(5伏特)，可以降低驱动器中的功耗，从而提高系统的效率。这样做，系统的速度性能也会提高。降低门驱动电压也会降低上拉电阻上的电压降的噪声容限。因此，当负载端子相对于地面为负的时候，将挑战基于上拉电阻的电平移动电路。这是由这样的事实所引起的：上拉电阻上的电压降受到限制，这会导致MOSFET的误操作。在瞬变的情况下，并且当半桥的低端MOSFET中的二极管导通时，会发生负的负载端子电压的情况。
一般而言，使用上拉电阻不适合于逻辑电平驱动电压，因为负的负载端子电压必定会破坏高端置位/复位输入的逻辑电平。
发明内容
本发明的目的是提供一种新颖的系统，用于接收和处理高端驱动器中的置位和复位电流脉冲，从而获得操作功率变换晶体管的可靠的操作条件。
本发明的第二个目的是提供一种半桥驱动器，并消除共模电流。
本发明提供一种半桥驱动器，包括第一和第二电源开关，其与它们相应的电流路径串联连接，脉冲发生器，用于生成电压脉冲波形，其被配置成驱动所说的第一电源开关，第一电流发生器，用于为所说的电压脉冲波形的每一个负的脉冲波前生成电流脉冲，第二电流发生器，用于为所说的电压脉冲波形的每一个正的脉冲波前生成电流脉冲，以及差动电流接收器电路，其连接到所说的第一和第二电流发生器，并被配置成生成等于流过所说的电流发生器的电流的差值的输出信号，所说的输出信号被配置成驱动所说的第二电源开关。
这些及其他目的是通过简介中提及的那种类型的半桥驱动器来实现的，该驱动器进一步包括差动电流接收器电路，其至少有一个低阻抗电流缓冲器连接到所说的第一和第二电流发生器，所说的差动电流接收器电路被配置用于生成等于流过所说的电流发生器的电流的差值的输出信号，所说的输出信号用于驱动所说的第二电源开关。
根据一个优选实施例，分别由低阻抗同相和反相电流缓冲器接收置位和复位电流脉冲。然后，连接这些缓冲区的输出并进行求和。当对置位和复位电流路径中的dv/dt感应的共模噪声电流进行求和时，将反相一个电流，以便取消电流，并防止误触发。
根据本发明，脉冲生成的信号保留作为对电容不敏感的电流，此外，驱动器也不受负的失调电压的影响。而且，现在可以降低所需的驱动电压，从而降低半桥驱动器的功耗和操作温度。
低阻抗输入消除输入上的电压摆动，这些输入的直流偏压点将尽可能靠近高端驱动器的正电源。这将使得电平移动以便甚至对于高的负失调电压显示安全的功能，因为决策点不再基于前面的上拉电阻的电压降。此特性在降低功耗方面显示是很有益的，因为它能降低驱动器的工作电压。这样就能降低功耗，以及缩小模具的尺寸，并可以提高速度性能。
在此求和点的输出处，可以设置具有反馈电阻器的逻辑缓冲器充当存储单元。然后，在存储单元的输出中找到用于门驱动器的恢复控制信号。电阻器的值和缓冲区的阈值确定翻转锁存器的电流的大小。因此，共模电流被取消，从而实现噪声的共模抑制。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的当前优选的实施例。
图1是高端驱动器的脉冲控制的采用现有技术的实现方式的示意图。
图2是显示图1中的系统的计时的公共时基的图表。
图3是根据本发明的一个优选实施例的半桥驱动器的示意图。
图4是显示图3中的系统中的电流脉冲的图表。
具体实施方式
图1显示了输出级的拓扑。驱动器具有两个上拉电阻1、2，滤波器或门块4，用于进行噪声抑制，以及锁存器3。该系统进一步包括电流发生器11，12，它们受脉冲发生器10的控制。
输出级包括两个N沟道电源开关31和33。负载端子被称为Voffset 41。输出端子41和地线或-Vd可以驱动任何类型的负载，例如，诸如线圈或电动式换能器之类的电感负载。失调电压也是高端驱动器的参考电势，且在正常条件下是0V或±Vd 42。高端驱动器由电源Vbs40提供电源，此电压优选情况下等于电源Vd42。
图2说明了图1中显示的已知的现有技术的脉冲控制的高端驱动器的基本功能，显示了系统的计时。电流发生器11、12在脉冲发生器10生成的电压脉冲波形的上升沿和下降沿生成窄的电流脉冲。这就在电阻器1和2上产生窄的电压脉冲，用于分别对锁存器3进行置位和复位，锁存器3通过驱动器26为浮动开关设备提供栅极控制信号。
图3显示了本发明的第一个优选实施例，其中，类似于图1中的各元件的元件具有相同的引用编号。电流发生器11、12和脉冲发生器10可以按照任何给定的发生器拓扑来实现。电源开关31和33可以是任何类型的晶体管，优选情况下是适合于在“开”或“关”状态下操作的晶体管类型，如场效应晶体管。如图3所示的电源Vd42是一个单端的(+和参考地)电压电源。固定到地线的电路节点可以由负电源电路节点替代，以便低端驱动器使用负电源作为参考，可以使用双端(±)Vd电源42。
此外，图3中的半桥驱动器包括电流接收器电路27，具有许多低阻抗输入电流缓冲器。在所显示的示例中，这些低阻抗电流缓冲器是作为基于MOSFET晶体管的电流反射镜20、21、23实现的。电流缓冲器20、21、23连接到根据图3的电源电压Vbs。
驱动器还包括存储单元28，包括逻辑缓冲器25和正反馈电阻器24，连接到驱动器26。电流发生器11、12分别连接到反射镜20和21，而反射镜21和23连接到存储单元28。
在操作中，电压脉冲波形是由脉冲发生器10生成的，并被电流发生器11和12转换成电流脉冲。第一电流发生器11为电压脉冲的每一个下降沿生成脉冲IRESET，而第二电流发生器12为电压脉冲的每一个上升沿生成脉冲ISET。这些电流脉冲分别由电流接收器电路27中的电流反射镜20和21接收。被反射的复位电流脉冲IRESET从电流反射镜20提供到电流反射镜23，在电流反射镜23处再次被反射。最后，来自电流反射镜21和23的输出在缓冲器25的输入端子处被求和。
通过此拓扑，信号仍保留为电流，并且失调电压现在可以在电平移动丧失其功能之前上升到大致VBS-1V。如果失调电压应该上升到一个电平(其中，电流发生器不能提供所需要的电流)，则电平移动将不能够将高端开关打开，从而防止致命的击穿。其次，现在可以将优选情况下相等的电压VBS和Vdrive降低到5伏特甚至更低，从而可以大大地节省能源。这将有助于将半桥驱动器的操作温度降低。
参考图4中的图表，置位电流脉冲ISET在图3中的被称为ILATCH的点中产生相同大小和方向的电流脉冲。电流流向存储单元28。所说的ILATCH电流被转换为正反馈电阻器24的端电压，使存储单元28进入高状态。当接收到复位电流脉冲IRESET时，大小相同但方向相反的电流将在正反馈电阻器24中流动，这导致存储单元复位。
继续参考图4，其按照同时发生置位和复位脉冲显示了共模噪声的一个示例。在此情况下，这两个电流简单地互相抵消，从而获得共模电流抑制。由于流过反馈电阻器24的电流为零，因此会产生这种情况，其上没有电压降。
该半桥驱动器可以在任何给定的功率变换系统中实现，该系统包括晶体管的半桥，如DC-DC、AC-AC、DC-AC、AC-DC功率变换系统或上述各种系统的任何组合。特别地，半桥驱动器可以以高精度DC-AC电源转换系统来实现，该系统包括一个或多个半桥，以及一个或多个半桥驱动器。
半桥驱动器可以在硅上实现，从而缩小尺寸，并且可以在半桥驱动器的速度和精确方面提高性能。

Claims (14)

1.一种半桥驱动器，包括
第一和第二电源开关，其与它们相应的电流路径串联连接，
脉冲发生器，用于生成电压脉冲波形，其被配置成驱动所说的第一电源开关(33)，
第一电流发生器(11)，用于为所说的电压脉冲波形的每一个负的脉冲波前生成电流脉冲，
第二电流发生器(12)，用于为所说的电压脉冲波形的每一个正的脉冲波前生成电流脉冲，以及
差动电流接收器电路(27)，其连接到所说的第一和第二电流发生器，并被配置成生成等于流过所说的电流发生器(11，12)的电流的差值的输出信号(ILATCH)，
所说的输出信号被配置成驱动所说的第二电源开关(31)。
2.根据权利要求1所述的半桥驱动器，其中，所说的差动电流接收器电路(27)至少包括一个低阻抗电流缓冲器(20，21，23)。
3.根据权利要求1所述的半桥驱动器，其中，所说的差动电流接收器电路(27)包括三个低阻抗电流缓冲器(20，21，23)。
4.根据权利要求2所述的半桥驱动器，其中，至少一个所说的电流缓冲器是电流反射镜电路(20，21，23)。
5.根据权利要求1所述的半桥驱动器，进一步包括具有一个缓冲器(25)和一个反馈电阻器(24)的存储单元(28)，所说的存储单元被连接到所说的输出信号(ILATCH)。
6.根据权利要求1所述的半桥驱动器，其中，所说的电源开关是晶体管(31，33)。
7.根据权利要求6所述的半桥驱动器，其中所述电源开关是场效应晶体管。
8.根据权利要求1所述的半桥驱动器，进一步包括两个电压源(40，42)。
9.根据权利要求1所述的半桥驱动器，其中所述电压源提供大小相同的电压。
10.根据权利要求1所述的半桥驱动器，进一步包括通过0-5伏的逻辑电平电压进行的逻辑电平电压操作。
11.根据前面的权利要求中的任何一个所述的半桥驱动器，其是在硅衬底上实现的。
12.一种用于驱动电感负载的功率变换系统，包括根据前面的权利要求中的任何一个所述的半桥驱动器。
13.根据权利要求12所述的功率变换系统，包括多个根据前面的权利要求中的任何一个所述的半桥驱动器。
14.根据权利要求12或13所述的功率变换系统，用于进行直流-交流音频功率变换。
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