[发明专利]一种高压PN桥栅驱动电路

说明书

一种高压PN桥栅驱动电路，利用稳压电路将电源电压降低给输入级电路供电，采用电平转换电路将输入级的信号转换为可以驱动高压薄栅氧PMOS管的电压，利用电阻分压的方式判断输出电压与设定电压之间的关系，当用于驱动功率PMOS管时，PMOS管的栅驱动电路输出电压低于设定值时，使得驱动管NMOS管的电流能力降低甚至关断，从而使得输出电压抬升，并动态地稳定在设定值附近；同理当用于驱动功率NMOS管时，使得输出电压抬升并动态地稳定在设定值附近，设定值可以是GND～VCC之间的任意值，且由电阻比例和MOS管的阈值电压决定。本发明电路结构复杂度降低，功耗降低，有利于提高驱动芯片集成度，减少成本。

技术领域

本发明属于中高压功率集成电路技术领域，涉及中高压电机驱动控制技术，为一种高压PN桥栅驱动电路。

背景技术

中、高压电机驱动中通常采用PMOS管和NMOS管组合形成的桥式结构来驱动，学术界和产业界称该桥为PN桥。在低压应用中，反相器就是最简单的PN桥，其驱动方式也非常简单，可以直接用TTL逻辑的“0”和“1”电平电压来直接驱动PN桥。为了防止PN桥开关切换瞬间的直通损耗，通常会将PN桥中的PMOS管和NMOS管分开驱动，利用零电压切换技术来降低系统的损耗。典型的应用电路如图1所示，包括MCU、PN桥驱动、功率PMOS管和功率NMOS管以及负载电机。MCU的供电采用5V或者3.3V，输出两路信号分别控制PN桥驱动芯片的两个输入端HIN和LIN，PN桥与驱动芯片共用一个电源VM，三个PN桥即可用于驱动三相无刷直流电机。当VM的电压值较低时，PN桥驱动芯片的两个输出端HO和LO的输出电压范围均为GND至VM，随着VM电压等级的提升，GND至VM的电压差大于甚至远大于功率PMOS管和功率NMOS管的栅-源击穿电压。如图2所示，为了保证系统正常运行，需要保证功率PMOS管的驱动电压范围是(VM-V_DRV)至VM之间，而功率NMOS管的驱动电压范围为GND至V_DRV之间，这里的V_DRV代表的是最佳驱动电压值。

为了解决上述问题，传统的对功率NMOS管的驱动方式如图3所示，包括稳压电路1、稳压电路2、Buffer1、电平移位电路和Buffer2。稳压电路1将VM的电压降低到V_REG1(约5V左右)为输入级Buffer1供电，以满足输出电压兼容TTL电平的要求。稳压电路2的作用是将VM的电压降低到最适合功率NMOS的驱动电压值V_REG2，用该电压为电平移位电路和驱动级Buffer2供电。输入信号经过输入级Buffer1进入驱动电路，经过电平移位电路将输入信号的范围变为0～V_REG2之间。这里的V_REG2即等于图2中的V_DRV的值。传统功率PMOS管的驱动方式如图4所示，包括稳压电路1、稳压电路2、Buffer3、电平移位电路和Buffer4。稳压电路1将VM的电压降低到V_REG3(约5V左右)，为输入级Buffer3供电，以满足输出电压兼容TTL电平的要求。稳压电路2的作用是将VM的电压降低到最适合功率NMOS的驱动电压值V_REG4，用该电压为电平移位电路和驱动级Buffer2提供逻辑地电位。输入信号经过输入级Buffer3进入驱动电路，经过电平移位电路将输入信号的范围变为V_REG2～VM之间。这里的V_REG4即等于图2中的(VM-V_DRV)的值。

上述传统对功率PMOS管和功率NMOS管驱动的电路存在两个缺点：第一，整体PMOS+NMOS驱动电路需要三个稳压电路，一个给输入级供电，第二个给NMOS管输出级供电源，第三个给PMOS管驱动电路输出级供参考地，集成电路中高压LDO因需要数个高压器件，其规模远大于低压LDO的规模，这增加了电路的复杂度，且增加了芯片的面积，增加了芯片的成本；第二，目前标准的小尺寸BCD工艺中多采用统一的薄栅氧器件，其栅-源耐压很低(栅源击穿电压一般不超过6V)。而传统的驱动方案必须采用中压器件才能正常工作，无法满足当下驱动电路的高集成度发展目标要求。

发明内容