TWI656734B - 用於控制高側切換元件之變化率之電路 - Google Patents

用於控制高側切換元件之變化率之電路 Download PDF

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Abstract

本發明描述一種用於控制一負載開關(5)中之一高側切換元件(6)之變化率的電路。該電路包含用於設定一變化率之一可變電流源(20)。該電路亦包含一放大器(15)，該放大器包括耦合至一固定電壓源(19)之一第一輸入端、耦合至該可變電流源之一第二輸入端及針對一驅動信號之一輸出端(18)。從已連接或可連接至該切換元件之一輸出端(14)的一輸入端子(13)至該放大器之該第二輸入端的一回饋路徑(26)包含一串聯電壓微分元件，諸如一電容器(27)。

Description

用於控制高側切換元件之變化率之電路
本發明係關於一種用於控制一高側切換元件之變化率的電路，特定言之係關於一種n通道功率金屬氧化物半導體場效應電晶體。
功率半導體裝置(諸如功率金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)及絕緣閘極雙極電晶體(IGBT))可用作切換元件(或「開關」)用於切換負載。
一驅動器電路用來將一信號施加至一功率半導體裝置之一閘極，以便在關斷狀態與接通狀態之間切換裝置。裝置之切換速度(本文中被稱為「變化率」)可經控制以便足夠迅速地減少功率損耗，但足夠緩慢地避免高頻暫態，其可導致輻射電磁干擾。
圖1係用於切換一負載Z之一高側n通道MOSFET之一第一常用驅動器電路的一示意圖。MOSFET之汲極係連結至一正電壓源VBAT且該源連接至負載之一端子。該負載之另一端子係經由一低側切換元件而連結至地GND。高側驅動器電路包含一可切換電壓源，其經由一電阻器R耦合至MOSFET的閘極。該電壓源可在一正供應電壓VCP與接地GND之間切換。寄生電容包含閘極-汲極電容CGD及一閘極-源極電容CGS。閘極-汲極電容CGD一般被稱為「米勒電容」。變化率取決於電阻器與米勒電容的值。
雖然第一驅動器電路係簡單且易於實施，但其經受一或多個缺點。首先，不存在回饋環路，故驅動器電路不允許變化率被持續地控制。此外，電阻器通常係可增加材料清單之一離散組件。驅動器電路通常具有寬泛範圍的變化率。亦存在由以下各項引起之大的時間延遲：閘極電荷QG上升至米勒平坦區之開端(由米勒電容引起)；及閘極電荷QG超出米勒平坦區之開端之一緩慢上升速率(其由閘極-汲極電容CGD引起)。
圖2係用於切換一負載之一高側n通道MOSFET之一第二常用驅動器電路的一示意圖。
第二驅動器電路使用一可程式化電流控制器。該驅動器電路係簡單且易於實施並允許持續地控制變化率。然而，其共用第一驅動器電路的一些缺點，諸如時序延遲。
DE 103 46 307 B3描述用於控制與一負載串聯連接之一低側MOSFET的一低側驅動器電路。一電容器係連接在MOSFET之閘極與接地之間。然而，該驅動器電路(像第一常用驅動器電路)不允許持續地控制變化率。
US 5 397 967 B描述用於控制一高側場效應電晶體的一高側驅動器電路。該電路包含一操作放大器，其輸出端連接至一場效應電晶體之閘極，藉此提供一閉合的環路電壓隨耦器。一電容器係連接在放大器之一非反相輸入端與一參考電位或接地之間。一電流源係與在放大器之非反相輸入端與參考電位或接地之間的電容器並聯連接。
藉由使閉合環路電壓隨耦器之輸入端處的電壓斜升或斜降來控制變化率。驅動器電路可補償寄生電容並容忍一寬泛的範圍。可藉由減少起動時間來最佳化時序。
US 6 072 289 B描述用於控制用於一馬達之一馬達控制電路中之變化率的一系統，該系統包括耦合至該馬達之一線圈的一高側切換裝 置。一高側變化率控制電路控制施加至一線圈之一電壓激發信號的一變化率。該變化率控制電路包含：一放大器，其具有耦合至高側切換裝置之一輸入端的一輸出端；一電流槽，其將放大器之一第一輸入端耦合至接地；一電容器，其將放大器之第一輸入端耦合至接地；及一回饋路徑，其從高側切換裝置之一輸出端至放大器之一第二輸入端。
US 5 589 744 B描述用於控制一馬達線圈在導通期間之換向順序之變化率的一電路。該電路包含一比較器，該比較器用於比較一誤差放大器之輸出與一輸入緩衝放大器之輸入。僅在已以一受控速率向輸入端充電之後，該比較器將誤差放大器之輸出端連接至緩衝放大器之輸入端。一積分緩衝放大器包含一放大器，所述放大器具有連接於其輸入端處之一回饋電容器與一電流源以降低電晶體之導通期間的電壓變化率。
根據本發明之一第一態樣，提供有一種用於控制一負載開關中之一高側切換元件(諸如一nMOS電晶體)之變化率的電路。該電路包括：一可變電流源，其用於設定一變化率；一放大器，該放大器包括耦合至一參考電壓源的一第一輸入端、耦合至可變電流源的一第二輸入端及針對用於驅動切換元件之一信號的一輸出端。該電路包含一回饋路徑，其從已連接或可連接至切換元件之一輸出端的一輸入端子至放大器的第二輸入端。該回饋路徑包含一串聯電壓微分元件，諸如一串聯電容器。
可為簡單且廉價實施之電路可用來使用可變電流以設定變化率。因此，可根據應用改變變化率。
電壓微分元件可為一電容器。
切換元件可為一電晶體，較佳地為一功率電晶體。該切換元件可為一金屬氧化物半導體(MOS)場效應電晶體。該切換元件可為一 nMOS電晶體。該切換元件可為一絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)。較佳地以一隨耦器組態配置該切換元件。
電路可進一步包括用於將驅動信號選擇性地鎖定在一給定狀態中的一電路，該鎖定電路包括用於判定信號之狀態的構件及用於在第二輸入端設定一信號位準以確保狀態被鎖定在給定狀態中的構件。
此可幫助增加對雜訊的抗擾性、提供開關接通與開關關斷及/或已切換至一接通或關斷狀態中的清潔器、減少功率損耗。
該電路可進一步包括差動放大器之輸出端與一電路輸出端之間的一非反相緩衝器，該電路輸出端已連接或可連接至切換元件的一控制電極。
該電路可進一步包括安置在電路輸入端與電壓微分元件之間的一預按比例調整器。
根據本發明之一第二態樣，提供有一種包括至少一電路及控制邏輯的積體電路，該控制邏輯經組態以為用於該或每一電路之可變電流源設定一電流。
積體電路可為一特殊應用積體電路(ASIC)。
根據本發明之一第三態樣，提供有一種包括至少一電路或積體電路及至少一高側切換元件的系統，該高側切換元件具有一控制電極及一輸出端。該或每一電路經組態以控制一各自切換元件，藉此差動放大器之輸出端係耦合至控制電極且切換元件之輸出端係耦合至電路輸入端。
該系統可進一步包括至少一負載，每一負載連接至一各自切換元件。該負載可為一馬達之一定子線圈。該負載可為一線圈或一繼電器或螺線管。該負載可為一加熱器元件。
該系統可包括兩個、三個或更多個電路。因此，該系統可用來控制一多相負載，諸如三相馬達。
根據本發明之一第四態樣，提供有一種使用一電路來控制一負載開關中之一高側切換元件之變化率的方法，該方法包括使用可變電流源來設定一電流。
根據本發明之一第五態樣，提供有一種電腦程式，其在由一控制器執行時，引起該控制器執行該方法。
根據本發明之一第六態樣，提供有一種攜載或儲存電腦程式的電腦可讀媒體(其可為非暫時性的)。
1‧‧‧系統
2‧‧‧負載
3‧‧‧控制器
4‧‧‧預驅動器積體電路(IC)
5‧‧‧負載開關
6‧‧‧高側切換元件/nMOS電晶體
7‧‧‧第一供應側端子
8‧‧‧第二端子
9‧‧‧低側切換元件
10‧‧‧控制邏輯
11‧‧‧高側閘極驅動器電路
12‧‧‧驅動器輸出端
13‧‧‧回饋輸入端
14‧‧‧分接頭
15‧‧‧差動放大器
18‧‧‧輸出端
19‧‧‧電壓源
20‧‧‧可程式化電流源
21‧‧‧第一電流源
22‧‧‧第一開關
23‧‧‧第二開關
24‧‧‧第二電流源
25‧‧‧節點
26‧‧‧回饋路徑
27‧‧‧串聯電壓微分元件/電容器
28‧‧‧選用電路
29‧‧‧第一差動放大器
30‧‧‧第二差動放大器
36‧‧‧輸出端
37‧‧‧輸出端
38‧‧‧第一電壓源
39‧‧‧第二電壓源
40‧‧‧第一雙輸入「及」閘
41‧‧‧第二雙輸入「及」閘
42‧‧‧輸出端
43‧‧‧輸出端
44‧‧‧第一開關
45‧‧‧第二開關
46‧‧‧分接頭
47‧‧‧選用非反相緩衝器
48‧‧‧nMOS電晶體
49‧‧‧pMOS電晶體
50‧‧‧電阻式旁路
51‧‧‧選用預按比例調整器
52‧‧‧開關
CGD‧‧‧閘極-汲極電容
CGs‧‧‧閘極-源極電容
GND‧‧‧接地
iCTRL‧‧‧控制電流/正控制電流/負控制電流
tslope‧‧‧時間
tstart‧‧‧傳播延遲
VBAT‧‧‧正電壓源/正電壓供應源/正供應軌電壓
VCP‧‧‧正供應電壓/正供應軌
VDD‧‧‧供應線
Vref‧‧‧固定參考電壓
現在，將藉由實例、參考隨附圖式之圖3至圖5b來描述本發明之特定實施例，其中：圖1係一第一驅動器電路及一切換元件的一示意圖；圖2係一第二驅動器電路及一切換元件的一示意圖；圖3係用於控制並驅動一或多個負載之一系統的一方塊圖；圖4係一負載、一負載開關及一高側閘極驅動器的一示意圖；且圖5a及圖5b係示意性地圖解說明使用圖4中所展示的高側閘極驅動器實現的跨一負載之輸出電壓隨時間的變動之時序圖。
參考圖3，展示一種用於控制並驅動一或多個負載2的系統1。一負載2可為(例如)馬達中之一線圈、一螺線管或繼電器中之一線圈、一加熱器元件或具有一複數阻抗Z之其他形式的一負載。系統1可用於控制一個三相馬達(即，具有三個負載2的一馬達)或其他類型的多相裝置。
系統1包含一控制器3(諸如一微控制器)、一預驅動器積體電路(IC)4及用於該或每一負載2的一負載開關5。
一負載開關5包含呈一n通道功率金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)(本文中亦被稱為一「nMOSFET」或僅「nMOS電晶 體」)形式的一高側切換元件6。
nMOS電晶體6可為一離散組件或可被整合至一負載開關IC中或至預驅動器IC 4中。nMOS電晶體6經組態作為一源隨耦器。該nMOS電晶體6之汲極D係連結至來自一電池(未展示)的一正電壓供應源VBAT且源極S連接至負載2的一第一供應側端子7。負載2之一第二端子8係經由一低側切換元件9而連接至接地GND。正電壓供應源無需由一電池提供，而可從一主電源供應源或其他類型的供應源提供。
預驅動器IC 4包含控制邏輯10及一高側閘極驅動器電路11。高側閘極驅動器電路11具有連接至nMOS電晶體6之閘極G的一驅動器輸出端12，及連接至nMOS電晶體6之源極S及供應側端子7處或其之間之一分接頭14的一回饋輸入端13。該分接頭14量測nMOS電晶體6之跨負載2出現之輸出，即，一驅動器輸出電壓VOUT。
高側閘極驅動器電路11
參考圖4，更詳細地展示一負載2、一負載開關5及一高側閘極驅動器電路11。
如早先所說明，nMOS電晶體6之汲極D係連結至正電壓供應源VBAT且源極S連接至負載2的一第一端子7。負載2之一第二端子8係經由一低側切換元件9而連接至接地GND。
藉由一差動放大器15(本文中被稱為「驅動差動放大器」)驅動nMOS電晶體6，差動放大器15具有非反相及反相輸入端及一輸出端18。
一電壓源19係連接在接地與放大器15之非反相輸入端之間，且向驅動差動放大器15提供一固定參考電壓Vref。
高側閘極驅動器電路11包含由控制邏輯10(圖3)控制之一可程式化電流源20。該可程式化電流源20包括配置在供應線VDD與接地GND之間的一第一電流源21、一第一開關22、一第二開關23及一第二電流 源24。可程式化電流源20能夠提供具有正斜率及負斜率的可變電流。可程式化電流源20經由節點25向驅動差動放大器15之反相輸入端提供一控制電流iCTRL。
高側閘極驅動器電路11包含經由節點25而在回饋輸入端13與驅動差動放大器15之反相輸入端之間的一回饋路徑26。路徑26包含一串聯電壓微分元件27。電壓微分元件27採取一電容器27的形式。然而，可使用其他形式的電壓微分元件27，諸如一信號處理器(未展示)。使用一信號處理器(未展示)作為一電壓微分元件27可允許電壓微分元件27的特性被改變。
高側閘極驅動器電路11可包含一選用電路28，選用電路28用於將輸出端18處的驅動信號選擇性地鎖定為高(即，接通)或低(即，關斷)。位準鎖定電路28包含具有各自非反相及反相輸入端以及各自輸出端36、37之第一差動放大器29及第二差動放大器30。每一非反相輸入端連接至差動放大器15的輸出端18，且每一反相輸入端連接至一各自電壓源38、39。電壓源38、39各自針對接通狀態及關斷狀態提供箝位臨限值。第一電壓源38之箝位臨限值恰好低於接通電壓位準(例如大約低於100毫伏)，且第二電壓源39之箝位臨限值恰好高於關斷電壓位準(例如大約高於100毫伏)。第一差動放大器29及第二差動放大器30各自用來判定驅動信號是接通還是關斷。
鎖定電路28包含第一雙輸入「及」閘40及第二雙輸入「及」閘41。第一差動放大器29之輸出端36及第二差動放大器30之輸出端37連接至「及」閘40、41的各自第一輸入端。控制邏輯10(圖3)向「及」閘40、41之各自第二輸入端提供控制信號關斷、接通。「及」閘40、41使各自輸出端42、43控制第一開關44及第二開關45，該等開關以圖騰柱組態配置在一正供應軌2×Vref與接地GND之間，且具有連接至電容器27與節點25之間之回饋路徑26的一分接頭46。Vref可為(例如)帶 隙電壓，約1.2伏。然而，Vref可採取其他值。
高側閘極驅動器電路11可包含驅動差動放大器15之輸出端18與驅動輸出端12之間的一選用非反相緩衝器47。非反相緩衝器47可包括一nMOS電晶體48及一pMOS電晶體49，該等電晶體以一推挽式組態配置在正供應軌VCP與接地GND之間。非反相緩衝器47包含一電阻式旁路50以幫助最後建立正確的閘極電壓。電阻式旁路50採取一電阻器之形式。
高側閘極驅動器電路11可包含連接在回饋輸入端13與電容器27之間的一選用預按比例調整器51。該預按比例調整器51可用來逐步降低驅動器輸出電壓VOUT。預按比例調整器51可採取一分壓器之形式。
高側閘極驅動器電路11亦可包含驅動器輸出端12與回饋輸入端13之間的一開關52。該開關可用來幫助確保用於經改良EMC抗擾性的一低值歐姆閘極短路。開關52可採取一nMOS閘極-源極之形式。可藉由閘極輸出端42控制該開關。
操作
現在，參考圖3、圖4、圖5a與圖5b，將更詳細地描述變化率控制。
經由預驅動器控制邏輯10之控制器3用來設定一期望變化率。該期望變化率取決於負載之使用及類型(例如，馬達線圈、加熱器元件等等)且涉及考量電磁發射位準及功率消耗。
在導通期間，驅動器輸出電壓VOUT係由下方的方程式(1)給出，即 當供應一控制電流iCTRL時，一驅動信號被施加至nMOS電晶體6之閘極且閘極電荷QG增加。驅動器輸出電壓之改變的速率(即，變化率)可由 下方的方程式(2)估計，即：
即使電容器27的值係固定的，亦可使用可程式化電流源20來設定變化率。若使用一信號處理器或其他形式的可變及/或可程式化電壓微分元件27，則電容CFB的值無需為固定的，故可使用電壓微分元件27來可變地設定變化率。
圖5a及圖5b示意性地圖解說明驅動器輸出電壓VOUT關於來自控制邏輯10之控制信號關斷及接通的特性。
參考圖3、圖4及圖5a，控制邏輯10將控制信號接通從低切換至高。此引起可程式化電流源20向驅動差動放大器15之反相輸入端提供一正控制電流iCTRL。在驅動器輸出電壓VOUT開始上升至正供應軌電壓VBAT的10%之前，存在一傳播延遲tstart。其後，輸出電壓VOUT之增加速率係由(1/CFB)iCTRL定義。在一經過的時間tslope之後，輸出電壓達到正供應軌電壓VBAT的90%。
若使用一鎖定電路28，則一旦差動放大器輸出端18超出上部箝位臨限電壓位準，則該電路28即鎖定輸出端18及因此驅動器輸出電壓VOUT。
接著，控制邏輯10可將控制信號接通從高切換至低。
一類似程序用來切斷負載開關5。
參考圖3、圖4及圖5b，控制邏輯10將控制信號關斷從低切換至高。此引起可程式化電流源20向驅動差動放大器15之反相輸入端提供一負控制電流iCTRL。在驅動器輸出電壓VOUT開始下降10%之前，存在一傳播延遲tstart。其後，輸出電壓VOUT之減少速率係由(1/CFB)iCTRL定義。在一經過的時間tslope之後，輸出電壓達到正供應軌電壓VBAT的10%。
若使用一鎖定電路28，則一旦差動放大器輸出端18下降至上部箝位臨限電壓位準以下，則該電路28即鎖定輸出端18及因此驅動器輸出電壓VOUT。
接著，控制邏輯可將控制信號關斷從高切換至低。
若系統1包含具有多個負載2的一多相裝置，則針對每一切換元件5提供一高側閘極驅動器電路11。因此，針對一個三相馬達提供三個高側閘極驅動器電路11。可在相同的預驅動器IC 4中提供多個閘極驅動器電路11。每一閘極驅動器電路11可具備各自控制邏輯10或可共用相同的控制邏輯10。
高側閘極驅動器電路11可具有一或多個優點。
高側閘極驅動器電路11較不易受nMOS電晶體參數及額定值之變動的影響，故可與較多各種不同的nMOS電晶體一起使用。其亦可與較多各種不同的切換式負載一起使用。藉由可變電流源20，變化率可根據一特定應用程式而程式化且可根據考慮的負載條件而經調整(例如)作為負載阻抗、電池電壓及驅動器電晶體參數。可在一預驅動器IC中輕易地實施高側閘極驅動器電路11。相比於已知的標準閘極電流受控驅動器解決方案，本發明以一橋組態最佳化不相重疊的時序及因此功率效率。
應瞭解，可對上文中所描述的實施例作出許多修改。
可使用能夠具有隨耦器型特性的其他切換元件6，即，其中切換元件6之一輸出節點隨耦該切換元件6之一輸入節點。例如，可使用一IGBT。
一開關負載可包含一低側nMOS電晶體，且預驅動器IC 4可包含用於低側nMOS電晶體的一低側閘極驅動器。

Claims (14)

  1. 一種積體電路(4)，其包括：至少一變化率控制電路，各變化率控制電路(11)包括：一可變電流源(20)，其用於提供用以設定一負載開關(5)中之一高側切換元件(6)之一變化率之一控制電流，該可變電流源(20)包括第一及第二電流源(21、24)；一差動放大器(15)，其包括：一第一輸入端，其耦合至一參考電壓源(19)；一第二輸入端，其耦合至該可變電流源(20)；及一差動輸出端(18)，其針對用於驅動該切換元件之一信號；及一回饋路徑(26)，其從已連接或可連接至該切換元件之一輸出端的一電路輸入端(13)至該放大器的該第二輸入端，該回饋路徑包含一串聯電壓微分元件(27)，其中該第一及第二電流源(21、24)係可變電流源，且該可變電流源(20)係可由控制邏輯(10)控制之一可程式化電流源，用以允許該高側切換元件(6)之該變化率依據應用而變化且依據負載而調整；及控制邏輯(10)，其經組態以設定該可變電流源(20)之該控制電流。
  2. 如請求項1之積體電路，其中該電壓微分元件(27)係一電容器。
  3. 如請求項1或請求項2之積體電路，其中該切換元件(6)係一MOS電晶體。
  4. 如請求項1或請求項2之積體電路，其中該切換元件(6)係一nMOS電晶體。
  5. 如請求項1或請求項2之積體電路，其進一步包括：一驅動信號鎖定電路(28)，其用於將該驅動信號選擇性地鎖定在一給定狀態中，該驅動信號鎖定電路包括用於判定該信號之該狀態的構件(29、30)及用於在該第二輸入端設定一信號位準以確保該狀態被鎖定在該給定狀態中的構件(40、41、43、45)。
  6. 如請求項1或請求項2之積體電路，其進一步包括：一非反相緩衝器(47)，其在該差動放大器(15)之該輸出端(18)與已連接或可連接至該切換元件(6)之一控制電極的一電路輸出端(12)之間。
  7. 如請求項1或請求項2之積體電路，其進一步包括：一預按比例調整器(51)，其安置在該電路輸入端(13)與該電壓微分元件(27)之間。
  8. 如請求項1或2之積體電路(4)，其為一特殊應用積體電路。
  9. 一種系統，其包括：如請求項1至請求項8之任一者之一積體電路；及至少一高側切換元件(6)，其具有一控制電極(G)與一輸出端(S)，其中每一電路經組態以控制一各自切換元件(6)，藉此該差動放大器之該輸出端耦合至該控制電極且該切換元件之該輸出端耦合至該電路輸入端。
  10. 如請求項9之系統，其進一步包括：至少一負載(2)，每一負載連接至一各自切換元件(6)。
  11. 如請求項10之系統，其中該負載係一馬達的定子線圈。
  12. 如請求項9或請求項10之系統，其中該系統包括三個個別變化率控制電路。
  13. 一種使用如請求項1至請求項7之任一者的一積體電路來控制一負載開關(5)中之一高側切換元件(6)之變化率的方法，該方法包括：使用該可變電流源來設定該控制電流。
  14. 一種電腦程式，其在由一控制器執行時，引起該控制器執行請求項13之該方法。
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