[发明专利]带恒流控制的高压电平位移驱动电路

说明书

技术领域

本发明涉及高压半桥驱动电路技术领域，具体来说，本发明涉及一种带恒流控制的单脉冲高压电平位移驱动电路。

背景技术

在高压半桥驱动电路中，为了在半桥的上下侧都采用N型功率MOSFET传输功率，通常采用图1所示的升压(Boost)电路结构。为了描述方便，对下面图中各种符号给出统一定义：VCC为半桥驱动电路(包括下侧驱动电路)的电源电压，GND为电源地，H_in为上侧输入信号，L_in为下侧输入信号，HO为半桥驱动电路的上侧输出端，LO为半桥驱动电路的下侧输出端，VS为浮动地，D为隔离二极管，CB为升压电容，VH为高压电源，VB为上侧驱动电路的浮动电源电压，VOUT为输出电压。

在图1所示的升压电路结构中，上侧输入信号H_in需从输入电平转移到一个以相对于GND浮动的以VS为地。以VB为电源电压的供电系统中，当上侧功率MOSFET T1截止、下侧功率MOSFET T2导通时，升压电容CB的上极板通过隔离二极管D被充电到VCC电压(忽略二极管导通电压)，升压电容CB的下极板近似为GND(忽略下侧MOSFET T2的Vds导通电压)。而当下侧功率MOSFET T2截止、上侧功率MOSFET T1导通时，升压电容CB上极板仍维持VCC电压，升压电容CB下极板通过上侧导通的功率MOS管被充电至高压电源VH电压(忽略上侧MOSFET T1的Vds导通电压)。这样，浮动地VS的电压在下侧功率MOS管导通时是GND+T2管的Vds_on(管压降)电压，在上侧功率MOS管导通时的电压为VH-T1管的Vds_on(管压降)。而由于隔离二极管D和升压电容CB的作用，无论高压电源VH电压为多少伏(VH始终＞VCC)上侧驱动电路的浮动电源电压VB电位相对高压电源VH始终要抬高一个半桥驱动电路的电源电压VCC，保证了上侧N沟功率MOSFET的充分导通和截止。

由于半桥驱动电路传输功率的大小取决于高压电源VH的电压和流经上侧、下侧功率MOSFET T1、T2的电流，因此为了传输更大的功率，人们往往采用提高VH电压的办法，而前级电路往往是低压电路，这就需要用到电平位移电路。

现有技术中的一个经典的高压电平位移电路(单路)的拓扑结构图参见图2。在图2所示的电路中，符号的定义同上述，主要承受功率的器件是高压LDMOS管T。随着VH电压的不断提高，除了对有源器件的耐压性能提出更高的要求外，对负载电阻RL的承受功率能力也提出更高要求，这种结构的器件承受功率的要求除了有电压的不确定性，还有信号脉宽的不确定性，这对于集成化设计的半桥驱动电路内部器件的功率承受能力设计和可靠性设计带来挑战，由此产生各种集成化设计中降低高压电平位移电路功耗的方法。

图3为现有技术中的一个传统的双脉冲驱动的集成高压电平位移电路(双路)的拓扑结构图。由于半桥驱动电路传输的信号是脉冲信号，且脉冲宽度和高压电源VH的电压幅度都是可变的，对集成电路内部器件承受功率设计带来不确定因素。为了消除这些不确定因素，该结构的上侧输入信号H_in输入脉冲发生器1电路，通过脉冲发生器1对输入脉冲的上升沿和下降沿的检测，从而产生与输入信号的上升沿和下降沿相关的两个窄脉冲。脉冲发生单元1电路完成了对输入脉冲信号从单路输入到双路脉冲输出的信号变换，然后把这两路信号分别送到两路高压电平位移电路，高压MOSFET 2和4、负载电阻3和5以及箝位二极管构成的两路高压电平位移电路。高压电平位移电路实际就是一个电阻负载的MOS反相电路，再经过信号恢复电路6把两路经过电平位移的窄脉冲信号重新恢复成一个电平幅度在VB与VS之间且与原上侧输入信号H_in脉冲宽度相同的脉冲信号，从而完成了对上侧输入信号H_in的高压电平位移(见图4波形)。虽然电平位移电路单元的数量从一路增加到两路，而且在电平位移之前还需增加脉冲发生器1电路，由于脉冲发生器1输出的脉冲宽度是固定的，而且是通过设计精确控制相当窄小的脉冲(nS数量级)，这种电路结构的特点是把一个信号脉宽变成二个固定脉宽的窄脉冲，使脉冲宽度变化的不确定因素得以确定，消除了器件承受功率的不确定因素，对于集成化设计的高压电平位移电路中器件的功率计算、版图设计带来便利，从而使一个不可能实现的高压半桥驱动集成化方案变为可能，我们把这种传统的集成高压电平位移电路称为双脉冲高压电平位移电路。

但是，现有技术中传统的双脉冲驱动的高压电平位移电路需要产生双路脉冲信号电路和两个高压电平位移电路，并且在高压浮动盆内还需要设置脉冲信号恢复电路，增加了的电路的复杂性和芯片面积，尤其是增加了浮动盆内的电路的面积，导致浮动盆部分芯片面积的扩大。