CN1320298A - 在半桥组态中减少mosfet体二极管传导的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了配置于半桥组态的第一(M1)和第二(M2)转换开关操作的方法和装置。控制第一和第二栅极电压之一使得相应的第一和第二转换开关之一作为恒定电流源操作。

Description

在半桥组态中减少MOSFET体 二极管传导的方法和装置
本发明涉及功率开关器件。更准确的说，本发明提供在半桥组态中高端与低端器件之间转换的改进技术。
传统的集成电路半桥驱动器，典型地使用非重叠功率MOSFET栅控制信号，以保证当高端和低端功率MOSFET都处在高阻抗状态时最小的时间间隔。这个间隔一般称为“停滞时间”。停滞时间间隔仅仅发生在从一个开关器件至另一个开关器件电流换向之前，必需保证没有同时传导电流通过这两个转换开关器件，即没有贯穿电流。停滞时间间隔常常必须大于期望值，以确保在IC操作温度和过程变化范围内维持最小的停滞时间。
在停滞时间期间，当两个功率开关器件都是高阻抗时，感性负载的任何输出电流，均被强制地流过或者高端或者低端开关器件的寄生体二极管。当半桥驱动器和功率MOSFET共享同一硅衬底时，流过功率MOSFET体二极管的电流可激活IC衬底上另外的寄生晶体管。激活的这些寄生晶体管能够成为不希望的功率耗散源，以及干扰半桥控制电路的正常操作。而且，激活的这些寄生晶体管，甚至能经由众所周知的称为锁定的机制毁坏IC。
这个问题一般的解决办法是增设外肖特基二极管与功率MOSFET体二极管并联。外肖特基二极管具有较低的正向电压，因此在停滞时间内引走了本应流入体二极管的大部分电流。但是，伴随肖特基二极管产生的串联感抗和半桥IC组装，当在高频下换接大电流时，常常限制了这个技术的有效性。这个解决办法还得考虑系统要增加成本，因此不理想。
附图1描述了现有技术的半桥转换开关功率放大器。V1和V2是典型的5V至10V电压源。功率MOSFET管M1和M2的栅极被驱动，使得当M1和M2都闭合没有传导电流时，产生一个时间间隔。在这里这个时间间隔已被称为停滞时间。在停滞时间内，当电流由于感性负载流进或流出转换功率放大器输出端时，体二极管D1或D2其中之一传导电流。这引起输出上升超过VDD或下降低于GND。其量取决于体二极管的正向电压。
图1转换(开关)功率放大器的栅极驱动，输出电压和输出电流波形示于图2中。图3和图4为按现有技术图1中的半桥功率放大器两步转换过程的简略图示。栅极转换开关为简化已经从图1中删掉了，功率MOSFET分别以它们的工作区电阻表示。图3显示电流流入放大器输出级的情况，图4显示电流流出放大器输出级的情况。
图3a至3c显示图1中半桥功率放大器电流流入放大器输出级，即图2中的t0-t5间隔时转换过程的三种状态。在图3a中，负载电流流入M2，M2作用如同开关将电流传导至GND(状态1)。传统转换过程的第一步是M2栅极的完全放电。这引起两个输出MOSFET都是处在高阻抗状态如图3b中所示(状态2)。在这个停滞时间内(图2的间隔t1-t2)，输出电流保持相对的恒定，所以流动几乎完全通过D1返回进入电源VDD。在图2中可以看到，D1端电压降导致在此间隔期间输出电压Vout上升高出VDD。转换过程的第二步是，M1栅极的充电，然后如图3c所示使D1电流换向(状态3)。程序3a-3b-3c描述了输出电压由低到高的转换。当输出电压由高到低转换即3c-3b-3a时这个过程是可逆的。
图4a至4c示出图1中半桥功率放大器电流流出放大器输出级，即图2中t5-t9间隔时，转换过程的三种状态。
IC功率器件体二极管的传导按传统转换时，对于IC可能会有灾难性的后果。所以期望提供的技术使半桥组态的转换可以实现而功率器件的体二极管传导电流最小。
按照本发明，控制电路已被组合到半桥栅极驱动器中，以使体二极管传导和半桥功率MOSFET的贯穿电流最小。本发明的控制电路达到这一点是靠将半桥的两个功率MOSFET中的一个作为电流源来工作，即在电流换向期间在饱和区而不是在线性区。
该MOSFET作为电流源操作使在停滞时间间隔期间通常流入两个功率MOSFET体二极管中的一个的电流换向和传导。于是，当一个功率MOSFET提供要求的输出负载电流时，另外一个功率MOSFET作为开关可以或者开启，转换输出至期望的电压，或者闭合。
在转换开关MOSFET开启以转换输出时，一旦输出被转换，电流源MOSFET即闭合。在MOSFET转换开关闭合时，电流源MOSFET则完全增强，并转换输出至期望的电压。
为了将功率MOSFET作为电流源操作，栅极驱动电路必须能使功率MOSFET栅极部分地充电和放电。使栅极必须充电的电压由输出电流确定。根据一个具体的实施方案，电流源的量值基本上等于输出电流的量值，从而防止两个功率MOSFET之间交叉传输。
因此，本发明提供的方法和装置用于在半桥组态中配置的第一和第二转换开关的操作。第一和第二转换开关分别在第一和第二栅极上的第一和第二栅极电压是这样控制的，即第一转换开关开启而第二转换开关闭合。第一和第二栅极电压其中之一是这样控制的，即将相应的第一和第二转换开关其中之一作为恒定电流源操作。在第一和第二转换开关其中之一已经作为恒定电流源进行操作之后，控制第二栅极电压使第二转换开关开启，和控制第一栅极电压使第一转换开关闭合。
根据另一个具体实施方案，控制第一和第二栅极电压使第一转换开关开启和第二转换开关闭合。控制第一栅极电压使第一转换开关以恒定电流源进行操作。当第一转换开关作为恒定电流源进行操作时，控制第二栅极电压使第二转换开关开启。第二转换开关开启之后，控制第一栅极电压使第一转换开关闭合。
按照另外一个具体实施方案，控制第一和第二栅极电压使第一转换开关开启和第二转换开关闭合。然后控制第二栅极电压使第二转换开关作为恒定电流源操作。当第二转换开关作为恒定电流源操作时，控制第一栅极电压使第一转换开关闭合。第一转换开关闭合之后，控制第二栅极电压使第二转换开关开启。
参阅本说明书的剩余部分和附图可进一步理解本发明的本质和优点。
图1是传统半桥开关功率放大器电路图。开关S1至S4控制着功率MOSFET M1和M2的栅极充电和放电。二极管D1和D2是与功率MOSFET相联系的寄生体二极管。
图2为开关时序图，描述了图1中功率MOSFET栅极控制波形。还示出了输出电流方向正和负时输出电压和电流的波形。
图3a至3c示出图1中现有技术的半桥功率放大器，在电流流入放大器输出级情况下，转换过程的三种状态。为了简化栅极转换开关已从图1中删除，功率MOSFET分别以其工作区电阻表示。
图4a至4c示出图1中现有技术的半桥功率放大器，在电流流出放大器输出级情况下，转换过程的三种状态。为了简化栅极转换开关已从图1中删除，功率MOSFET分别以其工作区电阻表示。
图5为简化电路图，描述了本发明附加栅极控制电路的一种实施方案。开关S1至S4和跨导级GM1和GM2控制着功率MOSFET M1和M2栅极的充电和放电。二极管D1和D2是与功率MOSFET相联系的寄生体二极管。
图6为开关时序图，描述了按照新发明控制图5中功率MOSFET栅极的方法。还示出了输出电流方向为正和负时的输出电压和电流的波形图。
图7a至7d显示本发明半桥功率放大器电流流入放大器输出级转换过程四种状态的一般情况。栅极转换开关和跨导级为了简化已从图5中删除，功率MOSFET分别以其工作区电阻表示。
图8a至8d显示本发明半桥功率放大器电流流出放大器输出级转换过程四种状态的一般情况。栅极转换开关和跨导级为了简化已从图5中删除，功率MOSFET分别以其工作区电阻表示。
图9显示本发明更具体的实施方案电路图。
现在参照图5-9进行讨论。附加的栅极控制电路已经加到图1基本的转换(开关)功率放大器组态中，以便控制体二极管停滞时间传导电流。两个跨导级GM1和GM2，当用信号EN1和EN2触发时，检测MOSFET中的一个上的端电压，以便设置另一个MOSFET的栅极电压。当未触发时，GM1和GM2的输出为高阻抗。GM1和GM2允许MOSFET如同电流源工作而不仅仅是开关。开关S1-S4允许M1和M2快速充电和放电。图5的转换功率放大器的栅极驱动，输出电压和输出电流波形示于图6中。描述于图7和图8中的本发明的三步转换(开关)过程，其中栅极转换和跨导级为了简化已从图5中删除了，功率MOSFET分别以其工作区电阻表示。图7显示的是电流输进放大器输出级的情况。图8显示的是电流流出放大器输出级的情况。
按照本发明的一个具体实施方案，图3b和4b的停滞时间开关状态，每一个分别由示于图7b和7c，图8b和8c的两种状态所代换。在这个实施方案中，充当电流源的那个MOSFET换向负载电流，它在停滞时间间隔期间本应流过另一个MOSFET的体二极管。图7a描述半桥功率放大器一种可能的初始状态，其负载电流正流进放大器输出端且充当转换开关的M2传导电流至GND(状态1)。M2的栅源电压于是降低，使M2如同电流源工作，其量值等于输出电流I0，如图7b所示(状态2)。然后，M1的栅极完全充电以箝制至VDD的端出，如图7c所示(状态3)。最后，M2的栅极完全放电使之进入高阻抗状态，如图7d中Roff所示(状态4)。注意，在这个转换过程的任意时间里，电流都不流经体二极管D1或D2。
按程序7a-7b-7c-7d所述的转换过程完全是可逆的。当半桥输出的初始状态为如图7d所示的状态4时，就可进行逆转步骤，将半桥恢复至状态1，亦即7 d-7 c-7 b-7 a。
输出电流方向必须在转换程序开始之前认定，以确定哪一个器件，高端或低端，将充当电流源。例如，图7a中，负载电流正流入输出端，其将从低向高转换。在这种情况下M2就成为电流源。相反，在图8a中，负载电流正流出输出端，其将从低向高转换，M1成为电流源。例如可通过测量在输出转换之前传导MOSFET上的电压极性来确定出输出电流的方向。
为了使转换过程时间最小，在下一个状态变化之前应确定输出功率MOSFET的传导状态。例如，在图7c中，在决定闭合如图7d中的电流源之前应确定M1的传导状态。按照一个具体的实施方案，所述的MOSFET棚源电压即用于产生此决定。
为了进一步阐明本发明的操作，图7和8中描述的转换条件现应用于图5所示本发明的具体实施方案中，图6示出时序波形图。
首先考虑的条件是，电流Iout正流进图5的M2中，输出将从低向高转换，如图6所示(时间间隔t1-t6)。M2初始是在线性工作区，传导电流至GND。这形成M2的Rdson上小的正电压。这个条件与图7a所示状态1等效，相当于图6中时间间隔t0-t1。为了转换输出从GND至VDD,GM2被触发，M2的栅极开始放电(时间间隔t1-t2)。当Vout上升(时间间隔t2-t3)，M2离开线性工作区。与M2联系的密勒电容转换在此间隔期间GM2提供的任何栅极放电电流，从而保持住Vgs2(间隔t2-t3)。一旦Vout达至VDD,GM2保持Vgs2在期望的水平以维持D1开启(间隔t3-t4)。然后，用S1开启M1。但是，由于为0V跨接故M1中没有电流流过(间隔t3-t4)。一旦M1完全地增强，则GM2不触发，S4激发使电流源M2闭合(间隔t4 t5)。于是Iout完全流过M1(间隔t5-t7)。
现在考虑条件：电流Iout正流进M1，输出变换将从高到低如图6所示(时间间隔t7-t11)。M1初始是在线性工作区中传导Iout至VDD。这样就形成了M1的Rdson上的一个小的正电压(相对于VDD)。这种情况等效于图7d所示的状态4，相当于图6中时间间隔t5-t7。为了使输出从VDD转换到GND,GM2被触发并充电使Vgs2至期望的电压，使M2的漏电流等于Iout。M1仍然开启，输出电压被箝在VDD(间隔t7-t8)。然后，M1的栅极经由S2放电(间隔t8-t9)。一旦Vgs1充分放电，则GM2不触发，S3激发以使M2的栅极完全充电(间隔t9-t11)。于是输出转换为从高到低。
下面考虑条件：电流Iout正流出M2和输出变换将从低到高，如图6所示(时间间隔t13-t17)。M2初始是在线性工作区，Iout源自GND。这样就形成了M2的Rdson上的一个小的负电压。这种情况等效于图8中所示的状态1，和相当于图6中时间间隔t12-t14。为使Iout自M2换向，于是GM1被触发并充电使Vgs1至期望的电压，使M1的源电流等于Iout,M2上的电压至零(间隔t13-t14)。一旦电流源M1适当设定，则Vgs2经由S4放电(间隔t14-t15)。一旦M2的栅极完全放电，GM1不触发，S1被激发以使M1的栅极充分地充电(间隔t15-t17)，因而输出上升至VDD。
最后，考虑条件是电流Iout正流出M1和输出转换为从高到低如图6所示，时间间隔t18-t23。M1初始在线性工作区内，Iout源自VDD。这样就形成了M1的Rdson上的一个小的负电压(相对VDD)。这种情况等效于图8d中的状态4，相当于图6中时间间隔t16-t19。为了使输出从VDD转换到GND,GM1被触发，Vgs1放电达到期望的电压使M1的源电流等于Iout(间隔t18-t19)。当Vgs1下降低于需要保持输出电流的水平，负载电流拉低Vout(间隔t19-t20)。然后GM1维持Vgs1在合适的电压值以维持Iout(间隔t19-t21)。之后由于M2为0V跨接，M2可以充分地增强。一旦M2足够导通，则M1即闭合，输出电流整个流过M2(间隔t21-t22)。
图9示出本发明更具体的一种实施方案的电路图。可以根据各种半导体处理器如双极型，CMOS,DMOS,IGBT等等任一种制作电路。而且应该理解，可以采用这些处理器不同的组合绘制电路。比较器(comp)901和902监控M1和M2的栅极源电压，使得可以知道M1和M2的传导状态。比较器903和904监控每一个FET M1和M2上的跨接电压，输出电流的方向便可确定。无论是传导状态还是输出电流方向的信息都输进栅极充电控制逻辑模块905中。这个模块中的逻辑按照前述开关程序可确定M1和M2的栅极充电和放电的各元件的状态，亦即S1,S2,S3,S4,GM1和GM2。应该理解，控制逻辑模块905可以有广泛的多种方法实施而不违反本发明的范围。还应该理解，因为控制逻辑模块905的实施完全在逻辑设计师的能力之内，所以此处没有包含具体实施的描述，以防止对本发明原理的不必要困惑。
参看图9，现在介绍本发明工作的一个例子。在此例中，电流正流入转换放大器的输出以及M1正传导电流至VDD。输出电压(Vout)稍许高于VDD(Vout=(Iout×Rdson)+VDD)。半桥输入信号走低表明M1应当闭合，M2应当开启。栅极充电控制逻辑905以指令顺序行事以阻止体二极管传导。它经由比较器903感知输出电流的方向。它触发S2从而使M1的栅极开始放电。它触发GM2从而使M2的栅极开始部分充电。M2的栅极充电至输出下降到VDD，然后保持。当Vout等于VDD时，充当电流源的M2传导所有的输出电流，M1只是箝制Vout至VDD。一旦比较器901检测到M1栅源电压下降至预定的参照电压(Vref)，表明M1再也不能有效传导电流了，则栅极充电控制逻辑905令GM2不触发，并触发S3。S3使M2的栅极完全充电至V2，当M2完全增强输出下降使电压稍许高于0V(Vout=Iout×Rdson)，于是开关操作完成。本例描述的控制程序情况为电流正流入输出和输出电压由高到低变换。在其它三种情况下，栅极充电控制逻辑905提供类似的程序，包括电流流进输出，Vout从低向高变换，电流流出输出Vout由低向高变换，和电流流出输出Vout从高向低变换。
虽然本发明已经参照其具体的实施方案进行了详细的展示和描述，但是那些本专业的技术人员应该理解，可以改变已公开的实施方案的形式和细节而不违反本发明的精神和范围。例如，在这里描述的实施方案中，功率MOSFET用来作为转换和电流源器件，但是应该理解，还有多种其它类型的功率转换器件可以使用。包括其中的任一型器件均可同时配置为电流源和转换开关，例如，IGBT，双极晶体管，PMOS器件等等。而且，按照某些实施方案，电压输出可用跨导级代替。另外，跨导级可以有其输入转换开关，允许这些级执行S1-S4的功能从而免除对S1-S4的需求。所以本发明的范围应参照权利要求书确定。

Claims (23)

1．一种用于操作配置于半桥组态中第一和第二转换开关的方法，第一和第二转换开关分别具有第一和第二栅极，包括：
分别控制第一和第二栅极上的第一和第二栅极电压，使第一转换开关开启，第二转换开关闭合；
控制第一和第二栅极电压中之一使对应的第一和第二转换开关中之一作为恒定电流源工作；
第一和第二转换开关中之一作为恒定电流源工作之后，控制第二栅极电压使第二转换开关开启；和
控制第一栅极电压使第一转换开关闭合。
2．根据权利要求1的方法，其中，将第一转换开关作为恒定电流源工作。
3．根据权利要求1的方法，其中，将第二转换开关作为恒定电流源工作。
4．根据权利要求1的方法，其中，第一转换开关为高端转换开关和第二转换开关为低端转换开关，并且其中，输出电流具有的方向与半桥组态有关，该方法进一步包括：
检测输出电流方向；
当输出电流指向进入半桥组态时，使第二转换开关按恒定电流源工作；和
当输出电流指向离开半桥组态时，使第一转换开关按恒定电流源工作。
5．根据权利要求1的方法，其中，第一转换开关为低端转换开关和第二转换开关为高端转换开关，并且其中，输出电流具有的方向与半桥组态有关，该方法进一步包括：
检测输出电流方向；
当输出电流指向进入半桥组态时，使第一转换开关按恒定电流源工作；和
当输出电流指向离开半桥组态时，将第二转换开关按恒定电流源工作。
6．根据权利要求1的方法，进一步包括检测与半桥组态有关的输出电压，根据输出电压控制第一和第二栅极电压。
7．根据权利要求6的方法，其中，输出电压包括跨接第一转换开关的第一电压。
8．根据权利要求6的方法，其中，输出电压包括跨接第二转换开关的第一电压。
9．根据权利要求6的方法，其中，输出电压包括半桥组态输出电压。
10．根据权利要求1的方法，其中，恒定电流源有一个与其有关联的第一量值，并且其中第二量值的输出电流与半桥组态有关联，第一和第二量值基本上相同。
11．一种用于操作配置在半桥组态中第一和第二转换开关的方法，第一和第二转换开关分别具有第一和第二栅极，包括：
分别控制第一和第二栅极上的第一和第二栅极电压，使第一转换开关开启，第二转换开关闭合；
控制第一栅极电压使第一转换开关按恒定电流源工作；
在第一转换开关按恒定电流源工作时控制第二栅极电压使第二转换开关开启；和
第二转换开关开启之后控制第一栅极电压使第一转换开关闭合。
12．一种用于操作在半桥组态中第一和第二转换开关的方法，第一和第二转换开关分别具有第一和第二栅极，包括：
分别控制第一和第二栅极上的第一和第二栅极电压，使第一转换开关开启，第二转换开关闭合；
控制第二栅极电压使第二转换开关按恒定电流源工作；
在第二转换开关按恒定电流源工作时控制第一栅极电压使第一转换开关闭合；和
第一转换开关闭合之后控制第二栅极电压使第二转换开关开启。
13．一种转换电路包括：
在半桥组态中配置的第一和第二转换开关，第一和第二转换开关分别具有第一和第二栅极端，半桥组态具有一个输出端；和
栅极控制电路耦合于输出端和第一与第二栅极端，其可操作为控制第一和第二转换开关交替地按恒定电流源工作，便于使电流在第一和第二转换开关之间换向。
14．根据权利要求13的转换电路，其中，栅极控制电路包括耦合到第一栅极端口的第三和第四转换开关，用于触发和禁止第一转换开关，第一放大器耦合至第一栅极端口，用以控制第一转换开关按恒定电流源工作，第五和第六转换开关耦合到第二栅极端口，用以触发和禁止第二转换开关，第二放大器耦合到第二栅极端口，用以控制第二转换开关按恒定电流源工作，以及控制逻辑用来选择性地触发第三，第四，第五和第六转换开关和第一和第二放大器。
15．根据权利要求14的转换电路，其中，控制电路进一步包括耦合到第一和第二转换开关的输出检测电路，用以向控制逻辑指示与半桥组态相关联的输出电流的方向。
16．根据权利要求14的转换电路，进一步包括耦合到第一和第二栅极端口的栅极传感电路，用以向控制逻辑指示其状态。
17．一种集成电路包括：
在半桥组态中配置的第一和第二晶体管，第一和第二晶体管分别具有第一和第二栅极端口，半桥组态具有输出结点；
栅极控制电路耦合到输出结点和第一和第二栅极端口，其可操作为控制第一和第二晶体管交替地按恒定电流源工作，便于使电流在第一和第二晶体管之间换向。
18．根据权利要求17的集成电路，其中，第一和第二晶体管包括MOSFET。
19．根据权利要求17的集成电路，其中，第一和第二晶体管和栅极控制电路采用CMOS技术生成。
20．根据权利要求17的集成电路，其中，第一和第二晶体管和栅极控制电路采用DMOS技术生成。
21．根据权利要求17的集成电路，其中，第一和第二晶体管和栅极控制电路采用双极型技术生成。
22．根据权利要求17的集成电路，其中，第一和第二晶体管和栅极控制电路采用IGBT技术生成。
23．根据权利要求17的集成电路，其中，第一和第二晶体管和栅极控制电路采用选自CMOS,DMOS，双极型和IGBT构成的组的组合技术生成。
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