CN1849740A - 用于功率转换器的高侧晶体管驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明是有关于一种高侧晶体管驱动器包括一高侧晶体管、一低侧晶体管、一驱动缓冲器和一控制晶体管。当低侧晶体管接通时，一充泵二极管和一自举电容器产生一浮动电压。驱动缓冲器将传送浮动电压以接通高侧晶体管。控制晶体管用于切换驱动缓冲器。高侧晶体管驱动器进一步包括一加速电路。加速电路用电容耦合方式产生一差动信号。当控制晶体管断开时，加速电路便加速控制晶体管寄生电容器的充电，从而加速高侧晶体管的切换。

Description

用于功率转换器的高侧晶体管驱动器
技术领域
本发明涉及一高侧晶体管驱动器，且更特定而言，涉及一用于驱动一功率转换器的高侧晶体管的驱动器电路。
背景技术
现今许多功率转换器使用桥接电路来控制一耦合到一负载的电压源。电源供应器和马达驱动器为此等功率转换器的常见实例。
一桥接电路通常具有一对跨于电压源两端串联连接的晶体管，其中一高侧晶体管连接到所述电压源且一低侧晶体管连接到接地参考(groundreference)。桥接电路包括一连接于高侧晶体管与低侧晶体管之间的共节点。共节点又耦接到负载。
控制高侧晶体管和低侧晶体管以交替导电。当此发生时，共节点的电压水平在电压源的电压水平与接地参考电压水平之间摆动。因此，当高侧晶体管接通时共节点的电压将上升到电压源的水平。此情况发生，是因为高侧晶体管的接通将桥接电路转换成一低阻抗状态。为完全接通高侧晶体管，需要一高于电压源电压的门极驱动电压。因此，高侧晶体管的门极和源极处的电压必须相对于接地参考地浮动。
图1展示一现有技术桥接电路，其使用一自举电容器30和一充泵二极管40以产生一用于驱动高侧晶体管10的门极的浮动电压VCC。当一控制晶体管45接通时，高侧晶体管10的门极将经由二极管42连接到接地参考。此将断开高侧晶体管10。一旦高侧晶体管10断开且低侧晶体管20接通，自举电容器30的浮动电压将经由一偏压VB经由充泵二极管40而被充电。
断开控制晶体管45将令浮动电压Vcc经由一晶体管41传送到高侧晶体管10的门极。此将接通高侧晶体管10。
此电路的一个缺点是其在高压应用中具有高切换损失。控制晶体管45需要一适合用于高压源极应用(200伏或更高)的高压制程。此类的高压晶体管通常具有一大寄生电容器，其将增加信号上升时间并减慢切换信号。这将造成高侧晶体管的高切换损失。因此，此现有桥接电路技术不适合用于高压和高速应用。
许多近期开发的桥接电路设计包括产生适用于高侧晶体管的门极电压的方法。一些众所周知的现有技术发明包括美国专利第5,381,044号(Zisa，Belluso，Paparo)、第5,638,025号(Johnson)和第5,672,992号(Nadd)。这些现有技术桥接电路共有如图1所示电路的相同缺点。这些现有技术发明的控制晶体管导致在高压应用中的高切换损失。
为克服这些缺陷，在美国专利第6,344,959号(Milazzo)中已介绍使用一升压转换器技术的现有技术桥接电路。然而，此技术使用一需要额外切换组件的倍压电路和其它电路，因此增加驱动电路的成本和复杂性。此外，在充泵中倍压电容器的高频充放电将导致在电压源端子和接地参考端子处产生的严重的噪音。
本发明的目标在于克服现有技术桥接电路的所述缺点并提供一适用于高压和高速应用的高侧晶体管驱动器。
发明内容
根据本发明的高侧晶体管驱动器包括一浮动接地端子和一浮动供应端子。浮动接地端子连接到高侧晶体管的源极，且浮动供应端子用于向高侧晶体管驱动器供应一浮动电压。
高侧晶体管驱动器包括串联连接的一充泵二极管和一自举电容器。所述充泵二极管供应有一偏压电压。自举电容器连接到浮动接地端子。当低侧晶体管接通时，偏压电压将对自举电容器进行充电并在浮动供应端子处产生浮动电压。高侧晶体管进一步包括一反相器以驱动高侧晶体管。包括一控制晶体管以接通或断开高侧晶体管。
所述高侧晶体管驱动器进一步包括一加速电路(speed-up circuit)。加速电路包括一加速P晶体管、一电流源、一反相器和两个保护二极管。当加速P晶体管接通时，控制晶体管的寄生电容器可被快速充电。加速P晶体管耦合到一电容器，使得电容器的电容和电流源供应的电流的幅度决定加速P晶体管的接通时间(on-time)。此确保在输入信号的上升边缘后，加速P晶体管将在接通时间周期内接通。
根据本发明的高侧晶体管驱动器提出一在高压和高速应用中驱动高侧晶体管驱动器的方法。此外，高侧晶体管驱动器的效率得到改进。
应了解，前述的一般性描述和下文的详细描述均为示范性的，并希望提供如所主张的本发明的进一步解释。
附图说明
随附的图式是为了提供对本发明的进一步理解，且组成本发明书的一部分。附图说明本发明的实施例且连同描述用于解释本发明的原理。
图1展示一传统高侧晶体管驱动器。
图2展示一根据本发明的高侧晶体管驱动器的示意性电路。
图3说明图2的示意性电路的操作时序图。
具体实施方式
图2展示一根据本发明的高侧晶体管驱动器，其中一浮动接地端子VS连接到一高侧晶体管10的一源极。一浮动供应端子VCC用于向高侧晶体管驱动器供应一浮动电压。一充泵二极管40和一自举电容器30以串联的方式连接。充泵二极管40的一阳极供应有一偏压电压VB，且自举电容器30的一负极端子连接到浮动接地端子VS。充泵二极管40的一阴极和自举电容器30的一正极端子连接到浮动供应端子。
当一低侧晶体管20接通时，偏压电压VB将对自举电容器30进行充电并在浮动供应端子VCC处产生浮动电压。高侧晶体管驱动器进一步包括一用于驱动所述高侧晶体管10的反相器。所述反相器由一P晶体管53和一N晶体管51组成。
P晶体管53的一源极连接到浮动供应端子VCC。N晶体管51的一源极连接到浮动接地端子VS。P晶体管53的一门极连接到N晶体管51的一门极。P晶体管53的一漏极和N晶体管51的一漏极结合在一起以驱动高侧晶体管10的一门极。一电流吸入器91从N晶体管51的门极连接到浮动接地端子VS。P晶体管55的一源极连接到浮动供应端子VCC。为接通N晶体管51，P晶体管55的一漏极耦合到N晶体管51的栅极。当P晶体管55接通时，高侧晶体管10将被断开。
当P晶体管断开时，电流吸入器91用于接通P晶体管53并接通高侧晶体管10。一电流源92从浮动供应端子VCC连接到P晶体管55的一门极。二极管81的一阳极连接到浮动接地端子VS。二极管81的一阴极连接到P晶体管55的门极。一控制晶体管50用于控制高侧晶体管10。控制晶体管50为一适合于高压应用的高压晶体管。为切换P晶体管55，控制晶体管50的一漏极连接到P晶体管55的门极。控制晶体管50的一源极连接到接地参考。电流源92用于对控制晶体管50的寄生电容器快速充电并在断开控制晶体管50的同时断开P晶体管55。
一反相器60的一输入端供应有一输入信号SIN。反相器60的一输出端连接到控制晶体管50的一门极。因此，控制晶体管50将响应输入信号SIN而接通和断开。
根据本发明的高侧晶体管驱动器进一步包括一具有一电容耦合的加速电路100。加速电路100具有一连接到P晶体管55的门极的输出端。加速电路100的一输入端供应有输入信号SIN。加速电路100响应所述输入信号SIN而产生一差动信号VG。差动信号VG将加速控制晶体管50的寄生电容器的充电，因此加速高侧晶体管10的接通。加速电路100包括一P晶体管57、一电流源93、一电容器35、一反相器65、一二极管82和一二极管83。P晶体管57的一源极连接到浮动供应端子VCC。P晶体管57的一漏极连接到加速电路100的输出端。当P晶体管57接通时，P晶体管57将对控制晶体管50的寄生电容器进行充电。电流源93从浮动供应端子VCC连接到P晶体管57的一门极。二极管82和二极管83以串联的方式连接。二极管83的一阴极连接到浮动供应端子VCC。二极管82的一阳极连接到浮动接地端子VS。为保护P晶体管57的门极免于过压应力，二极管82的一阴极和二极管83的一阳极连接到P晶体管57的门极。反相器65的一输入端连接到加速电路100的输入端。为提供电容耦合，电容器35从反相器65的一输出端连接到P晶体管57的门极。
电容器35与反相器65相耦合以在P晶体管57的门极处产生用于切换P晶体管57的差动信号VG。依据来自电流源93的电流的幅度和电容器35的电容以决定P晶体管57的接通时间TON。图3展示差动信号VG的波形。在输入信号SIN的上升边缘后，P晶体管57在接通时间TON内接通。由于接通时间TON，加速电路100提供一并联电流。并联电流与电流源92相关联以对控制晶体管50的寄生电容器进行充电。此将加速高侧晶体管10的接通。从而，高侧晶体管10的接通的加速受接通时间TON的限制。当控制晶体管50接通以断开高侧晶体管10时，P晶体管57断开。因此，当控制晶体管50接通时P晶体管57将不消耗任何功率。此外，当高侧晶体管10接通时，加速电路100主要对控制晶体管50的寄生电容器进行充电。这有助于减小来自电流源92的电流的幅度。因此，将减少控制晶体管50的应力且改进高侧晶体管驱动器的效率。
根据本发明的高侧晶体管驱动器克服了现有技术高侧晶体管驱动器的缺点，特定而言，根据本发明的高侧晶体管驱动器适合用于高压和高速应用中。此外，根据本发明的高侧晶体管比现有技术高侧晶体管驱动器运作得更有效。
所属技术领域的技术人员易明了可在不脱离本发明的范畴或精神的前提下对本发明的结构进行各种修改和变更，鉴于上述内容，希望本发明涵盖在上述权利要求书或其等同物的范畴内的修改和变更。

Claims (11)

1.一种高侧晶体管驱动器，其包括：
一高侧晶体管；
一低侧晶体管；
一浮动接地端子，其连接到所述高侧晶体管的一源极；
一浮动供应端子，其用于为所述高侧晶体管驱动器提供一浮动电压；
一充泵二极管，其具有一连接到所述浮动供应端子的阴极，其中所述充泵二极管的一阳极供应有一偏压电压；
一自举电容器，其以串联方式与所述充泵二极管相连接，其中所述自举电容器的一负极端子连接到所述浮动接地端子，且其中所述自举电容器的一正极端子连接到所述浮动供应端子；
一P晶体管，其具有一连接到所述浮动供应端子的源极；
一N晶体管，其具有一连接到所述浮动接地端子的源极，其中所述N晶体管的一门极连接到所述P晶体管的一门极，其中所述N晶体管的一漏极和所述P晶体管的一漏极形成一接点，其中所述接点处的电压用以驱动所述高侧晶体管的一门极；和
一电流吸入器，其从所述N晶体管的所述门极连接到所述浮动接地端子。
2.根据权利要求1所述的高侧晶体管驱动器，其特征在于其中当所述低侧晶体管接通，所述偏压电压就对所述自举电容器进行充电，其中当所述低侧晶体管接通，所述偏压电压就在所述浮动供应端子处供应所述浮动电压。
3.根据权利要求1所述的高侧晶体管驱动器，其特征在于其进一步包括：
一控制P晶体管，其具有一连接到所述浮动供应端子的源极，其中所述控制P晶体管具有一耦合到所述N晶体管的所述门极的漏极；
一第一电流源，其从所述浮动供应端子连接到所述控制P晶体管的一门极；
一第一二极管，其具有一连接到所述浮动接地端子的阳极，其中所述第一二极管具有一连接到所述控制P晶体管的所述门极的阴极；
一控制晶体管，其用于切换所述控制P晶体管，其中所述控制晶体管具有一连接到所述控制P晶体管的所述门极的漏极，其中所述控制晶体管的一源极连接到一接地参考；
一第一反相器，其具有一供应有一输入信号的输入端，其中所述第一反相器具有一连接到所述控制晶体管的一门极的输出端；和
一加速电路，其具有一连接到所述控制P晶体管的所述门极的输出端，其中所述输入信号供应到所述加速电路的一输入端，且其中所述加速电路具有一电容耦合。
4.根据权利要求1所述的高侧晶体管驱动器，其特征在于其中当所述控制P晶体管接通，所述N晶体管就接通且所述高侧晶体管被断开。
5.根据权利要求1所述的高侧晶体管驱动器，其特征在于其中所述电流吸入器用于在当所述控制P晶体管断开时，就接通所述P晶体管且接通所述高侧晶体管。
6.根据权利要求3所述的高侧晶体管驱动器，其特征在于其中所述第一电流源用于对所述控制晶体管的一寄生电容器进行充电并断开所述控制P晶体管。
7.根据权利要求3所述的高侧晶体管驱动器，其特征在于其中只要输入信号为高逻辑，就断开所述控制晶体管。
8.根据权利要求3所述的高侧晶体管驱动器，其特征在于其中所述加速电路响应所述输入信号而产生一差动信号，且其中所述差动信号加速所述控制晶体管的所述寄生电容器的充电并加速所述高侧晶体管的接通。
9.根据权利要求3所述的高侧晶体管驱动器，其特征在于其中所述加速电路包括：
一加速P晶体管，其具有一连接到所述浮动供应端子的源极，其中所述加速P晶体管具有一连接到所述加速电路的所述输出端的漏极；
一第二电流源，其从所述浮动供应端子连接到所述加速P晶体管的一门极；
一第二二极管，其具有一连接到所述浮动接地端子的阳极，其中所述第二二极管具有一连接到所述加速P晶体管的所述门极的阴极；
一第三二极管，其以串联的方式与所述第二二极管相连接，其中所述第三二极管具有一连接到所述浮动供应端子的阴极，且其中所述第三二极管具有一连接到所述加速P晶体管的所述门极的阳极；
一电容器，其用于切换所述加速P晶体管；和
一第二反相器，其具有一连接到所述加速电路的所述输入端的输入端，其中所述电容器从所述第二反相器的一输出端连接到所述加速P晶体管的所述门极。
10.根据权利要求9所述的高侧晶体管驱动器，其特征在于其中当所述加速P晶体管接通，所述加速P晶体管就将对所述控制晶体管的所述寄生电容器进行充电。
11.根据权利要求9所述的高侧晶体管驱动器，其特征在于其中所述加速P晶体管在一时间常数内接通，其中所述时间常数的长度与来自所述第二电流源的电流幅度和所述电容器的电容的乘积成比例。
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