CN1068998C

CN1068998C - 半桥驱动器电路

Info

Publication number: CN1068998C
Application number: CN96190304A
Authority: CN
Inventors: S·L·翁
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1995-04-10
Filing date: 1996-03-07
Publication date: 2001-07-25
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: TW299959U; EP0764360A1; CN1149939A; JP2002515220A; US5543740A; DE69604996D1; WO1996032772A1; EP0764360B1; DE69604996T2

Abstract

一种用于驱动具有在高压输出端耦合在一起的高端和低端的半桥输出级的半桥驱动器电路，它包括在集成电路中的低压控制电路和浮井，还包括用于控制所述高端功率晶体管启动的定时电路，半桥驱动器电路包括高压接口电路，用于将所述低压控制电路的所述控制输出耦合到所述定时电路。以此方式，可以获得集成的半桥驱动器电路，它由于在控制和定时电路中的功耗较低而可以工作在较高的频率。

Description

半桥驱动器电路

本发明涉及一种用于驱动一个在高压输出端耦合在一起的包括高端和低端功率晶体管的一个串联电路的半桥输出级的半桥驱动器电路，它包括：

一个低压控制电路，它具有一个低压输入端和一个耦合至所述低端功率晶体管的控制端的控制输出端，和

一个浮井，所述浮井的浮动接地节点耦合至所述高压输出端。

半桥驱动器电路现在被用于驱动高强度放电灯和感应灯的电子镇流器中功率转换器的功率晶体管。尽管当今的电子镇流器电路工作在较低的频率，通常为几百千赫兹，但高强度的放电灯将需要工作在700千赫兹以上，感应灯的电子镇流器则需工作在几兆赫兹。对于这种应用，在电子镇流器的功率转换器中使用现有的半桥驱动器电路是不实际的，因为现在的集成电路在高频时损耗大且过热，因而限制了高压高频工作。

具有代表性的已有技术的集成电路是由International Rectifier制造的IR2110。该高压集成电路使用启动电容器对高端门驱动电路供电，它在IC中构成浮井。低压控制电路的定时信息由使高压关断的电平移动级通到浮井中的电路中，并将电流脉冲送到浮井中的锁存器电路。当高端功率晶体管通断时，锁存器电路的状态就确定下来。但是，在向高端开关发定时信息时，使用关断高压的电平移动级则是高频时的主要功耗源，并且使这种电路的工作频率实际限制到约100千赫兹。

本发明的目的在于提供一种半桥驱动器电路，其中因电平移动电路的耗散所致的功耗最小或没有。此外，本发明的目的还在于提供一种半桥驱动器电路，其工作频率高于现有集成的驱动器电路的最大工作频率。

如本发明开头一段提到的半桥驱动器电路的特征在于，所述浮井包括：一个定时电路，用于控制所述高端功率晶体管的启动，并且，所述半桥驱动器电路包括一个高压接口电路，用于将所述低压控制电路的所述控制输出耦合至所述定时电路。因此可以知道，根据本发明的半桥驱动器电路的耗散引起的功率耗散较小，且根据本发明的半桥驱动器电路可以工作在较高的频率。

在根据本发明的半桥驱动器电路中，所述定时电路包括一个RC网络，用于参考所述浮动接地节点从所述控制输出提供的信号中产生一个衰减电压信号。在优选实施例中的定时电路是以简单和可靠的的方式实现的。最好，所述浮井还包括参考所述浮动接地节点产生第一和第二参考电压的装置，所述第一参考电压低于所述衰减电压信号的初始值，并且所述第二参考电压低于所述第一参考电压，当所述衰减电压信号到达所述第一参考信号的值时，所述高端功率晶体管被启动，并且当所述衰减电压信号到达所述第二参考电压的值时，所述高端功率晶体管被停止工作。在所指时刻所述高端功率晶体管的工作与否可以此方式方便和可靠地实现。还可以在下述情况下获得良好结果，即所述浮井还包括：一个第一比较器，用于将所述衰减电压信号与所述第一参考电压比较，以控制所述高端功率晶体管的启动，和一个第二比较器，用于将所述衰减电压信号与所述第二参考电压比较，以控制所述高端功率晶体管的停止工作。优选的情况下，所述用于产生所述第一和第二参考电压的装置包括第一和第二电容器，所述第一和第二电容器的各第一端耦合至所述浮动接地节点。在此情况下，最好在所述低压控制电路中产生第一和第二基本恒定的电压，所述高压接口电路包括第一和第二二极管，用于将所述第一和第二基本恒定的电压分别耦合至所述第一和第二电容器的第二端，以在所述浮井中产生所述第一和第二参考电压。所述高压接口电路还包括一个第三二极管，用于将所述控制输出端耦合至所述定时电路中的所述RC网络。

图1为根据本发明的集成半桥驱动器电路的方框图；

图2为图1的半桥驱动器电路的简化示意图；

图3a,3b,3c为图2的电路工作期间产生的选定的电压波形。

图1以方框图形式示出集成的半桥驱动器电路10。该电路用于驱动具有分别在高压端18和高压输出端22的公共或接地节点20之间耦合在一起的高端和低端功率晶体管14和16的半桥输出级12。

驱动器电路10还包括具有低压输入端26和经驱动器28耦合到示为MOS功率晶体管的低端功率晶体管16栅极的控制输出的低压控制电路24。低压控制电路24的控制输出还经高压接口电路30耦合到集成的驱动器电路10的浮井34中的定时电路32。应当理解，在此使用的“浮井”一词代表集成电路的一部分，它相对于同一集成电路的其他部分是电“浮动”的，因此其所加电压和公共或接地连线可以相对于集成电路的其余部分的所加电压和接地连线是浮动或可变的，其方式是本领域普通技术人员熟知的。因此，在浮井34中的诸如定时电路32的电路则耦合在电源电压线36和联到高压输出端22的浮动接地节点38之间。在浮井中的诸如定时电路32的电路由图1的方框40表示的耦合在电源线36和接地线38之间的浮动电源供电。

定时电路32的输出端耦合到电压比较电路42上，比较电路42的输出端再联到锁存器电路44。锁存器电路44的输出经驱动器46联到高端功率晶体管14的栅极，以根据定时电路32产生的定时信号控制MOS晶体管14的工作与否。因此，通过使用一同将来自低压控制电路24的信号耦合到浮井34的高压接口电路30和定时电路32，使图1的半桥驱动器电路不再采用已有技术的驱动器电路的电平移动电路，因而不再有与此相关的缺点，并且随后从浮井34的信号中产生适当的定时信息。

图2简单示出集成的半桥驱动器电路10的细节。在图2中，为了简化，与图1的零件相似或相同的编号代表相似或相同的零件。应当理解，图2所示的具体电路结构代表优选的实施例，且在本发明的范围内可以构成图1方框图的各种具体电路。

在图2中，低压控制电路24包括控制电路48和驱动器50，通过使用驱动器电路的其余部分来提供各种控制和参考电压信号。具体讲，控制输出电压Vl从低压控制电路24经驱动器28到达低端MOS功率晶体管16的栅极，并且经驱动器50耦合到高压接口电路30。在图2的实施例中，高压接口电路30包括二极管52,54和56，尽管诸如MOS晶体管的其他高压耦合零件也可以应用。高压接口电路30通过耦合二极管52耦合到包括电容器58和电阻60的RC网络上，其中，二极管54耦合到电容器62且二极管56耦合到电容器64上。电阻60，电容器58,62和64全部参考浮动接地节点38。

浮动电源40包括经二极管68耦合到低压控制电路24的启动电容器66，当浮动节点为低电压时，来自在低压控制电路24中的控制电路48的直流电压经二极管68将启动电容器66充电到浮动接地节点38的电压之上的电压上。按此方式，在启动电容器66的两端产生的电压用于向浮井34中的电路提供电源电压，当浮井中的电源线36上的电压升到相对于驱动电路的公共或接地节点20的高压时，二极管68变为反偏。在定时电路32中，分别从控制电路48产生的基本恒定的电压中在电容器64和62上产生参考电压V1和V2，并分别由二极管56和54耦合到电容器64和62上。类似地，控制输出电压V1经驱动器50和二极管52耦合到RC网络58,60以产生衰减电压信号V0，电压V0,V1和V2全都参考浮动接地节点38。

参考电压V1和V2，以及衰减电压信号V0耦合到电压比较电路42的比较器70和72上，该两个比较器的输出端耦合到锁存器电路44上。图2所示电路的其余部分与图1的电路相同，因此不再描述。

参考图3a,3b和3c的时序图更易于了解图2的电路的工作，其中示出的沿垂直轴的波形Vl,V0和Vh的电压电平是沿水平轴时间的函数，其中标出时间上的5个特定点用作参考。

在时间点1，控制输出电压V1变高并且经驱动器28耦合到低端功率MOS晶体管16的栅极使其导通，并使高压输出端22变低。同时，由于直接联到输出节点22，电压V1经驱动器50和52将定时电路32中的充电电容器58充电到相对此时为低电压的参考浮动接地节点38的高初始电压。此时电容器64和62由来自控制电路48的基本恒定的电压分别经二极管56和54充电到电压电平V1和V2。这些电压的初始值之间的关系如图3b所示为V0＞V1＞V2。在时间点2，电压Vl变低。因为由于经二极管52提供的电压V0不再保持基本恒定的初始值，电压V0随电容器58经电阻60的放电而衰减。在点2和3之间期间，提供到电压比较电路42的电压V0的值大于V1和V2，锁存器电路44和驱动器电路46因此在高端MOS功率晶体管14的栅极提供电压VH的较低初始电压，在低端MOS功率晶体管16导通并持续一短时间时，确保该晶体管14关断。

当电压V0衰减得足够使其值低于参考电压电平V1时，如图3b的时间点3所示，该电压电平的改变将由比较器70测出，它将启动锁存器电路44和驱动器46使电压VH变高，从而启动高端晶体管14。应当注意，当高端晶体管14在时间点3前未被启动时，低端功率晶体管16早在时间点2就停止工作，从而避免了两个功率晶体管启动中的任何交叠，而该交叠可能会在高压端18和接地端20之间产生不希望的和可能的损坏电流突波。

接着，在时间点4，电压V0进一步衰减并低过参考电压V2的值，由比较器72测出电压电平中的这个改变，它将使锁存器电路44和驱动器46的电压VH返回其低电平，从而使高端功率晶体管14关断。最后，在时间点5，VL将再变高，经驱动器28启动低端功率晶体管16，且此循环将重复。值得注意的是，在时间点4电压VH回到其低电平，在时间点5电压VL变高启动低端功率晶体管16之前，使高端功率晶体管14停止工作，再次避免涉及两个功率晶体管同时导通的不希望和潜在的损害。

另外，应当明白，在浮动接地节点38为低电平时，所有的时间信息是从低压控制电路24提供的低压信号V0、V1和V2中产生的，从而避免了象已有技术一样需要由高压电平移动电路将此信息发送到浮井中。此外，由于所有的相关参数(电压V0、V1和V2以及电容器58和电阻60的值)是由易于控制的低压和易于计算的元件值确定的，通过适当地选择低压电平和元件值，可以容易和精确地确定“死区时间”(时间点2和3，以及时间点4和5)和高端脉冲宽度(时间电3和4)。

上述集成的半桥驱动器电路无需相配的已有技术电路所需的关断高压的电平移动电路就能够有效驱动半桥输出级这大大降低驱动电路中不需要的功率损耗并且使其工作在比已有技术电路的频率更高的频率。

Claims

1．一种用于驱动一个在高压输出端耦合在一起的包括高端和低端功率晶体管的一个串联电路的半桥输出级的半桥驱动器电路，它包括：

一个浮井，所述浮井的浮动接地节点耦合至所述高压输出端，其特征在于，所述浮井包括：

一个定时电路，用于控制所述高端功率晶体管的启动，并且

所述半桥驱动器电路包括一个高压接口电路，用于将所述低压控制电路的所述控制输出耦合至所述定时电路。

2．根据权利要求1所述的半桥驱动器电路，其特征在于，所述定时电路包括一个RC网络，用于参考所述浮动接地节点从所述控制输出提供的信号中产生一个衰减电压信号。

3．根据权利要求2所述的半桥驱动器电路，其特征在于，所述浮井还包括参考所述浮动接地节点产生第一和第二参考电压的装置，所述第一参考电压低于所述衰减电压信号的初始值，并且所述第二参考电压低于所述第一参考电压，当所述衰减电压信号到达所述第一参考信号的值时，所述高端功率晶体管被启动，并且当所述衰减电压信号到达所述第二参考电压的值时，所述高端功率晶体管被停止工作，并且，其中，所述浮井还包括：一个第一比较器，用于将所述衰减电压信号与所述第一参考电压比较，以控制所述高端功率晶体管的启动，和一个第二比较器，用于将所述衰减电压信号与所述第二参考电压比较，以控制所述高端功率晶体管的停止工作。

4．根据权利要求3所述的半桥驱动器电路，其特征在于，所述用于产生所述第一和第二参考电压的装置包括第一和第二电容器，所述第一和第二电容器的各第一端耦合至所述浮动接地节点，并且，其中，在所述低压控制电路中产生第一和第二基本恒定的电压，所述高压接口电路包括第一和第二二极管，用于将所述第一和第二基本恒定的电压分别耦合至所述第一和第二电容器的第二端，以在所述浮井中产生所述第一和第二参考电压。

5．根据权利要求4所述的半桥驱动器电路，其特征在于，所述高压接口电路还包括一个第三二极管，用于将所述控制输出端耦合至所述定时电路中的所述RC网络。

6．根据权利要求1至5中任何一个权利要求所述的半桥驱动器电路其特征在于，所述半桥驱动器的至少一部分是集成电路。