[发明专利]高速MOSFET半桥栅驱动电路

说明书

本发明是一种用于功率器件栅驱动所需要的高速MOSFET半桥栅驱动电路，电路包括输入接收电路、死区时间产生电路、低侧延时电路、低侧输出驱动电路、振荡器电路、高效率电荷泵电路、低延时高压电平移位电路和高侧输出驱动电路。本发明采用高效率电荷泵电路，消除了驱动芯片外部的自举电容和充电二极管，减小芯片引脚的同时减小了芯片的使用复杂度；通过正反馈驱动电流增强技术减小电平移位电路的延迟，提高整体驱动电路速度；根据负载大小和输入控制脉冲的频率自适应调整驱动电流，从而最大程度上提高驱动电路的电源效率；可以广泛应用于各类高功率密度电力电子系统中，特别是频率要求更高的宽禁带功率器件的栅驱动应用。

技术领域

本发明涉及一种用于电力电子系统的高速MOSFET半桥栅驱动电路，属于集成电路技术领域。

背景技术

进入21世纪，在智能电网、移动通信以及新能源汽车等新兴产业的牵引下，电力电子应用系统要求进一步提高系统的效率、小型化和增加功能，特别要求电路应用在尺寸、质量、功率和效率之间的权衡，比如服务器电源管理、电池充电器和太阳能电场的微逆变器。上述应用要求电力电子系统在设计效率95％的同时，还具有高的功率密度(500W/in³，即30.5W/cm³)、高比功率(10kW/磅,22kW/kg)和高总负载点(1000W)。随着超结MOSFET的出现和应用普及，新一代电力电子应用系统对功率半导体器件驱动技术要求日益提高，这其中最核心的因素就是对功率半导体器件功能进行控制的高压栅驱动芯片。新一代电力电子整机系统对高压栅驱动芯片的驱动速度、智能化提出了更高的需求，从而进一步提高整机可靠性，并降低整机系统设计复杂度。

在诸多栅驱动芯片中，半桥栅驱动芯片是一种最常用的芯片架构。图1示出了电力电子应用系统中常用的典型高压半桥栅驱动芯片及应用系统电路框图。如图1所示，典型半桥驱动电路分为高侧和低侧两路通道驱动电路，高侧驱动电路采用自举升压的方式实现信号传输控制，两路低压输入HI和LI，分别进入高侧和低侧两路通道。在低侧LI输入高电平期间，LO输出高电平，开关ML导通，开关节点(SW)被下拉至地，此时VDD通过自举二极管给自举电容充电使得自举电容两端电压差接近VDD。当高侧HI输入高电平期间，HO输出高电平，高侧管MH开启，开关节点电压上升至VH，即SW上升至VH。由于自举电容两端电压不变，故HB点的自举电压被自举到SW+VDD。高侧电路始终保持VHB–SW≈VDD。由于半桥输出控制信号HO和LO直接驱动功率开关MH和ML的栅端，HO和LO必须具备比较大的驱动电流，该驱动电流由半桥芯片内部的输出驱动H和输出驱动L电路提供。

图1电路中，低压输入HI信号传输到HO点输出全部由高侧驱动电路完成。典型高侧驱动电路结构如图2所示，该电路结构来自美国专利US5552731，电路由高压电平移位电路、RS触发器和输出驱动电路构成，采用差分信号传输技术，以提高共模抑制能力。由于高低侧驱动电路之间有高低压隔离区，高压电平移位电路用于将低压输入HI信号传输给高侧输出驱动电路。在典型BCD工艺中，高压电平移位电路必须使用耐高压的LDMOS来实现信号传输，而高压LDMOS存在很大的寄生电容，严重限制图2所示电路的信号处理速度，采用该技术的650V高侧驱动电路的速度通常被限制在200KHz以下，无法满足以MHz的处理速度要求。因此很有必要对图2电路的延时特性进行优化，提供一种低延时高速高侧驱动电路。

图1电路采用外部自举电容和二极管组成的自举升压电路产生高侧驱动电压，结构相对简单。该设计方案存在一些缺点：(1)由于外部自举电容充电过程需要一段时间，限制了电路的最低频率和占空比范围；(2)在外部自举电容切换开启时，会承受显著的功耗，从而降低整体的效率。基于此，本发明对上述系统结构进行了改进。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高速MOSFET半桥栅驱动电路，利用高储能电荷泵结构和新型电平移位模块代替自举升压电路和传统电平移位模块，可以高效率的对输出驱动电压进行变换。