[发明专利]用于控制高侧开关元件的转换速率的电路

说明书

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)。

技术领域

本发明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。

背景技术

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V_BAT，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V_CP与地GND之间切换电压源。寄生电容包括栅极-漏极电容C_GD，和栅极-源极电容C_GS。栅极-漏极电容C_GD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Q_G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C_GD引起的米勒平坦区的开始之上的栅电荷Q_G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。

DE 103 46 307 B3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。

US 5 397 967 B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。

US 6 072 289 B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。