用于控制高侧开关元件的转换速率的电路制造技术

描述一种用于控制负载开关(5)中的高侧开关元件(6)的转换速率的电路(11)。该电路包括用于设置转换速率的可变电流源(20)。该电路还包括放大器(15)，该放大器(15)包括：耦合到固定电压源(19)的第一输入、耦合到可变电流源的第二输入以及驱动信号的输出(18)。从连接到或可连接到开关元件的输出(14)的输入端子(13)到放大器的第二输入的反馈路径(26)包括串联电压差分元件，诸如电容器(27)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于控制高侧开关元件的转换速率的电路，具体涉及n沟道功率金属氧化物半导体场效晶体管。
技术介绍
诸如功率金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)以及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)之类的功率半导体器件可被用作用于使负载开关的开关元件(或“开关”)。驱动器电路用于向功率半导体器件的栅极施加信号，以便使设备在OFF(关闭)和ON(开启)状态之间切换。可控制设备的开关速度(在本文被称为“转换速率”)以便足够快地减少功率损耗，但是足够慢以避免可能引起放射电磁干扰的高频瞬变。图1是用于使负载Z开关的高侧n沟道MOSFET的第一常用的驱动器电路的示意图。MOSFET的漏极连结到正电压源VBAT，并且源极连接到负载的一个端子。负载的另一个端子经由低侧开关元件连结到地GND。高侧驱动器电路包括经由电阻器R耦合到MOSFET的栅极的可切换的电压源。可在正供电电压VCP与地GND之间切换电压源。寄生电容包括栅极-漏极电容CGD，和栅极-源极电容CGS。栅极-漏极电容CGD常常被称为“密勒电容”。转换速率取决于电阻器和密勒电容的值。尽管第一驱动器电路简单且容易实施，但其经受一个或多个缺点。首先，不存在反馈环路，并且因此驱动器电路不准许转换速率被连续地控制。此外，电阻器通常是分立组件，这可能增加材料清单。驱动器电路典型地具有大量程的转换速率。也存在起因于密勒电容所引起的栅电荷QG到米勒平坦区的开始的上升的长的时间延迟以及由栅极-漏极电容CGD引起的米勒平坦区的开始之上的栅电荷QG的慢的增长率。图2是用于使负载开关的高侧n沟道MOSFET的第二常用的驱动器电路的示意图。第二驱动器电路使用可编程电流控制器。驱动器电路简单且容易实施，并且允许转换速率被连续地控制。然而，其共有第一驱动器电路的一些缺点，诸如时间延迟。DE10346307B3描述一种用于控制与负载串联的低侧MOSFET的低侧驱动器电路。电容器被连接在MOSFET的栅极与地之间。然而，像第一常用的驱动器电路一样，该驱动器电路不准许转换速率被连续地控制。US5397967B描述一种用于控制高侧场效晶体管的高侧驱动器电路。该电路包括其输出连接到场效晶体管的栅极的运算放大器，由此提供闭环电压跟随器。电容器被连接在放大器的非反相输入与基准电势或地之间。在放大器的非反相输入与基准电势或地之间，电流源与电容器并联连接。通过在闭环电压跟随器的输入处的电压斜升或斜降来控制转换速率。该驱动器电路可补偿寄生电容并且容忍大量程。可通过减小开始时间来优化时间。US6072289B描述用于在电机的电机控制电路中控制转换速率的系统，其包括耦合到电机的线圈的高侧开关设备。高侧转换速率控制电路控制施加到线圈的电压激励信号的转换速率。转换速率控制电路包括：具有耦合到高侧开关设备的输入的输出的放大器、将放大器的第一输入耦合到地的电流吸收器、将放大器的第一输入耦合到地的电容器以及从高侧开关设备的输出到放大器的第二输入的反馈路径。US5589744B描述一种用于在换向序列中在开启期间控制在电机线圈的转换速率的电路。该电路包括用于将误差放大器的输出与输入缓冲放大器的输入相比较的比较器。比较器仅仅在输入已经以受控速率被充电之后将误差放大器的输出连接到缓冲放大器的输入。集成缓冲放大器包括具有反馈电容器的放大器，和连接在其输入的电流源，用于在晶体管的开启期间降低电压转换速率。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，提供一种用于控制负载开关中的高侧开关元件(诸如nMOS晶体管)的转换速率的电路。该电路包括：用于设置转换速率的可变电流源；放大器，其包括耦合到基准电压源的第一输入、耦合到可变电流源的第二输入以及用于驱动开关元件的信号的输出。该电路包括从连接到或可连接到开关元件的输出的输入端子到放大器的第二输入的反馈路径。该反馈路径包括串联电压差分元件，诸如串联电容器。可以是实施简单且便宜的该电路可用于使用可变的电流来设置转换速率。因此，转换速率可根据应用而变化。电压差分元件可以是电容器。开关元件可以是晶体管，优选地是功率晶体管。开关元件可以是金属氧化物半导体(MOS)场效晶体管。开关元件可以是nMOS晶体管。开关元件可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。优选地在跟随器配置中布置开关元件。该电路可以进一步包括用于选择性地将驱动信号锁定在给定状态的电路，该锁定电路包括用于确定信号的状态的装置以及用于设置第二输入处的信号电平以确保状态被锁定在给定状态的装置。这可帮助增加对噪声的抗扰、提供干净的接通和断开和/或已经切换到ON或OFF状态，减少功率损耗。该电路可以进一步包括位于差分放大器的输出与连接到或可连接到开关元件的控制电极的电路输出之间的非反相缓冲器。该电路可以进一步包括置于电路输入和电压差分元件之间的预定标器。根据本专利技术的第二方面，提供一种集成电路，其包括：至少一个电路，和控制逻辑，其被配置为设置用于该电路或者每个电路的可变电流源的电流。该集成电路可以是专用集成电路(ASIC)。根据本专利技术的第三方面，提供一种系统，其包括：至少一个电路或集成电路以及具有控制电极和输出的至少一个高侧开关元件。该电路或者每个电路被配置为控制相应的开关元件，凭此差分放大器的输出耦合到控制电极，并且开关元件的输出耦合到电路输入。该系统可以进一步包括至少一个负载，每个负载连接到相应的开关元件。该负载可以是电机的定子线圈。该负载可以是线圈或继电器或螺线管。该负载可以是加热元件。该系统可以包括两个、三个或更多电路。因而，该系统可用于控制多相负载，诸如三相电机。根据本专利技术的第四方面，提供一种使用电路来控制负载开关中的高侧开关元件的转换速率的方法，该方法包括使用可变电流源来设置电流。根据本专利技术的第五方面，提供一种计算机程序，计算机程序在由控制器执行时使该控制器执行该方法。根据本专利技术的第六方面，提供一种承载或存储计算机程序的计算机可读媒介(其可以是非暂时型的)。附图说明现在将参考附图的图3至图5b通过示例来描述本专利技术的某些实施例，在附图中：图1是第一驱动器电路和开关元件的示意图；图2是第二驱动器电路和开关元件的示意图；图3是用于控制和驱动一个或多个负载的系统的框图；图4是负载、负载开关和高侧栅极驱动器的示意图；以及图5a和5b是示意地图示出使用图4中示出的高侧栅极驱动器时、负载两端的输出电压随着时间的变化的时间图。具体实施方式参考图3，示出了用于控制和驱动一个或多个负载2的系统1。负载2例如可以是电机中的线圈、螺线管或继电器中的线圈、加热元件或具有复阻抗Z的其他形式的负载。系统1可被用于控制三相电机——即，具有三个负载2的电机，或者其他类型的多相设备。系统1包括诸如微控制器的控制器3、前置驱动器集成电路(IC)4和用于该负载2或者每个负载2的负载开关5。负载开关5包括高侧开关元件6，高侧开关元件6采用n沟道功率金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)(在本文也被称为“nMOSFET”或简称为“nMOS晶体管”)的形式。nMOS晶体管6可以是分立组件或可以被集成到负载开关IC中或被集成到前置驱动器IC4中。nMOS晶体管6被配置为源极跟随器。nMOS晶体管6的漏极D连结到来自电池(未示出)的正电压供电VBAT，并且源极S连接到负载2的第一供电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于控制负载开关(5)中的高侧开关元件(6)的转换速率的电路(11)，所述电路包括：用于设置转换速率的可变电流源(20)；差分放大器(15)，包括：耦合到基准电压源(19)的第一输入；耦合到所述可变电流源(20)的第二输入；和用于驱动所述开关元件的信号的输出(18)；以及从连接到或可连接到所述开关元件的输出的电路输入(13)到所述放大器的第二输入的反馈路径(26)，所述反馈路径包括串联电压差分元件(27)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.24 EP 14178290.41.一种用于控制负载开关(5)中的高侧开关元件(6)的转换速率的电路(11)，所述电路包括：用于设置转换速率的可变电流源(20)；差分放大器(15)，包括：耦合到基准电压源(19)的第一输入；耦合到所述可变电流源(20)的第二输入；和用于驱动所述开关元件的信号的输出(18)；以及从连接到或可连接到所述开关元件的输出的电路输入(13)到所述放大器的第二输入的反馈路径(26)，所述反馈路径包括串联电压差分元件(27)。2.根据权利要求1所述的电路，其中所述电压差分元件(27)是电容器。3.根据权利要求1或2所述的电路，其中所述开关元件(6)是MOS晶体管。4.根据任一在先权利要求所述的电路，其中所述开关元件(6)是nMOS晶体管。5.根据任一在先权利要求所述的电路，进一步包括：用于选择性地将驱动信号锁定在给定状态的电路(28)，所述电路包括用于确定所述信号的状态的装置(29、30)以及用于设置所述第二输入处的信号电平以确保所述状态被锁定在所述给定状态的装置(40、41、43、45)。6.根据任一在先权利要求所述的电路，进一步包括：位于所述差分放大器(15)的输出(18)与连接到或可连接到所述开关元件(6)的控制电极的电路输出(12)之间的非反相缓冲器(47)。...

【专利技术属性】
技术研发人员：汉斯约尔根·布劳恩，
申请(专利权)人：瑞萨电子欧洲有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE