专利名称：半桥适应空载时间的电路和方法
技术领域：
本发明涉及一种适应空载时间的方法和电路实现，其特别适用于半桥驱动器集成电路(IC)诸如IR-2161卤素变换器控制集成电路，该集成电路描述于2001年12月31日提交的序列号为60/343236的美国临时申请(IR-2082 PROV)、2002年7月22日提交的序列号为60/398298的美国临时申请(IR-2082 PROV II)以及2003年5月21日提交的序列号为10/443525的美国申请(IR-2082)中，通过引用将每个申请包含在本申请中。
本发明还涉及一种高电压偏置检测电路，该电路能够与半桥栅极驱动器电路相结合，特别是在单片电路解决方案中。
背景技术：
基于双极型功率晶体管或其他开关功率器件的自激振荡半桥电路在本质上将是有效的，因为该系统将总是软开关。这些电路是众所周知的，并因此在这里将不再说明。为了在半桥电路中实现相似的性能，在该电路中单独振荡器驱动低端和高端驱动器，软开关不是固有的，因此空载时间优选地被固定为一个值，这个值与半桥的转换时间相应。这种变化取决于输出电路中的电容和电感以及负载电流。
高电压半桥驱动器电路在各种应用诸如马达驱动、荧光灯的电子镇流器和电源中使用。半桥电路应用一对推拉输出电路连接的晶体管，将这对晶体管放置于高电压直流(DC)电源上。图1示意性所示为基本的半桥电路。晶体管M1和M2是功率器件(金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))并且它们的中点连接，节点“A”，是连接负载的输出。晶体管M1和M2具有其自身的栅极驱动缓冲器(分别是DRV1和DRV2)，该驱动缓冲器提供适当的信号来导通或截止晶体管M1和M2。
在各种应用中，知道何时输出半桥的中点，节点A，从高状态转换到低状态或从低状态转换到高状态这一点是很有价值的。这种应用是用于荧光灯的电子镇流器。在图2中示出了这种镇流器的简化图示。正如能够看出的，半桥的负载是由L1、C1和灯1构成的谐振电路。在操作期间晶体管M1和M2交替地导通和截止，这导致了电流固定在连接到节点A的谐振负载电路中。例如当M1导通时，节点A的电压被拉(转换)到DC高电压总线的电势，并且电流开始固定在谐振负载中。当M1截止时，在谐振负载中流动的电流使得节点A处的电压向较低的电势转换。假设半桥的开关频率大于负载电路的谐振频率。在某“空载时间”延迟之后，晶体管M2导通并且节点A处的电压被拉到低于DC的总线电压，该总线电压典型地为零电势。该空载时间延迟防止M1和M2同时导通，同时导通会产生短路。
在M2导通之前，节点A的电压转换将花费一些有限的时间量来完全地转换，从DC高电压总线电势转换到较低的DC总线电压。在一定条件下，节点A处的电压在M2导通的时间不可能完全地转换到较低的电势。在这种情况下M2将把节点A的电压拉到较低的电压。
这种所谓的“硬开关”是开关损耗的来源，并且导致半桥晶体管M1和M2发热，这将导致这些晶体管失灵。
为了最小化开关损耗，能够通过保证在M2导通之前已经完全地转换节点A的电压来阻止硬开关。这能够通过增加M1(M2)的截止和M2(M1)的导通之间的空载时间延迟，或减小节点A的有效电容性负载来安排。然而这些措施可能减小开关速度或可用的灯额定值。
发明内容
为了进一步改进，这里公开的电路和方法提供了在卤素变换器(电子变压器)控制集成电路设计和许多其他应用中可以实现的适应空载时间功能。
这种功能的一个方面是用于检测节点A处的电压电势的方法和系统，这可以集成到单块集成电路解决方案中。该电路不需要附加的外部组件，并且因此简化了最终应用的电路。该电路适于包含在高压自激振荡半桥栅极驱动器集成电路中，在特别的一个集成电路中，其中将高压半桥栅极驱动缓冲器和电平转换包含在单块集成电路中。在这种电路中，优选地将高端栅极驱动缓冲器DRV1安排在一个绝缘高端阱中，该阱能够浮动到DC高电压电势，该DRV1定位于节点“A”。
根据本发明的特征，提供一个信号来避免半桥中的硬开关，该信号指示用于开关的安全阈值。基于与可编程阈值电平进行比较能够提供该信号，为了特别的应用，能够可选择地提供阈值电平用于特殊的开关参数。
根据本发明的另一个特征，提供高电压开关以便在半桥的节点A处获得对电压的检测。能够控制该高压开关以便接通或断开从而在半桥节点A处测量该电压。
根据本发明的另一个特征，将半桥节点A处的电压传送到一个高电压读出电路，通过半桥低端电压对该电路及进行供电，并提供能够耐高电压的低电压读出电路。
根据本发明的另一个特征，电压测量电路根据开关接通和阈值比较来检测电压。
根据本发明的其他方面，用于振荡器驱动半桥电路的适应空载时间电路可以包括检测电路，用于检测开关半桥中点处的电压；第一电路，用于产生第一信号，表现出所述电压从高到低的转换；和输出电路，用于产生一个适应空载时间输出信号，该信号至少基于所述第一信号，适于控制所述振荡器的所述输出信号。第二电路有利地产生第二信号，表现出所述电压从低到高的转换；其中所述输出电路产生所述适应空载时间输出信号，该信号基于所述第二信号和所述第一信号。
该第一电路可以在接近所述高到低转换开始处产生第一脉冲，并在靠近所述转换结束处产生第二脉冲，并产生基于所述第一和第二脉冲的所述第一信号。该第二电路优选地通过复制所述第一信号来产生所述第二信号。第一电路可以通过响应所述第一和第二脉冲给电容器充电来产生所述第一信号，以便产生充电，该第一信号表现出所述从高到低的转换，以及所述第二电路可以通过给第二电容器充电来产生所述第二信号，以便产生充电，该充电与所述第一电容器上的所述充电相应，因此第二信号显示所述从低到高的转换；和所述输出电路可以相应地产生所述适应空载时间输出信号，该信号响应所述第一和第二电容器上的所述充电，由此所述输出信号适于控制所述振荡器，该信号响应所述半桥中点处的所述从高到低以及从低到高的转换。
参考后面的附图，通过下文对本发明实施方式的说明，本发明的其他特征及优点将是很显然的。
图1是传统半桥电路的简化示意图。
图2是传统电子镇流器的简化示意图。
图3是根据本发明第一实施例的半桥中点电压检测电路的示意图。
图4是显示在适应空载时间电路操作期间存在的信号系列图。
图5是脉冲产生电路PGEN的示意图。
图6是适应空载时间电路的示意图。
图7是输出逻辑电路的逻辑图。
图8是低端驱动器电路的示意图。
具体实施例方式
半桥中点电压检测图3是根据本发明第一实施例的半桥中点节点A电压检测布置的示意图，在上述参考的序列号为10/806688的美国申请中也描述了这种结构。在虚线内包围的电路包括在单块集成电路的解决方案中；应该注意到所示的电路强调新的检测电路。可能包括在完整半桥栅极驱动器中的其他栅极驱动电路没有显示出来，因为它不影响本发明。
为了检测节点A处的电压，需要能够耐得住高DC总线电压的器件。使用的器件是M12，它是高电压横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管。晶体管M12与驱动晶体管M1的高端输出同步地开关。当晶体管M1导通时，通过给检测输入节点供应逻辑电平高将M12截止。在晶体管M1导通期间，节点A处的电压将有效地与DC高电压馈送相同。但是，当晶体管M1截止时，节点A处的电压可以是DC高电压馈送和零之间的任何值。同样根据与节点A连接的电抗性负载，关于返回节点的电压有可能低于零。正如以下将说明的，节点A的电压幅度等同于节点C的电压，并且节点C的电压通过晶体管M12电平移位到低端并在节点D出现。
节点D的电压只具有零到VCC(低端阱电源电压)的范围。所以，在晶体管M1截止以及节点A的电压大于VCC的任何时间，节点D的电压将等于VCC。但是，一旦节点A的电压低于VCC幅度，节点D的电压等同于节点A的电压。
可以接着将这个节点D的电压连接到比较器，诸如图3中所示COMP1，的输入端并将该电压与阈值进行比较，该阈值可调整和/或设置成零。然后将比较器COMP1的输出E用于发送信号，在半桥的中点，即节点A，的电压达到一个电平，对所有实际的目的来说，该电平足够得低，这样在半桥晶体管M1和M2中将不存在硬开关。能够将这个比较器的输出连接到半桥驱动器的控制逻辑，并采取动作以防止或最小化半桥晶体管中的电势硬开关损耗。
当节点中的检测连接逻辑高电平时，晶体管M12的栅极通过INV1保持到零伏特。晶体管M12的源极/体端子即节点D通过晶体管M13也保持到零伏特。这使得晶体管M12截止并且在其漏极中没有电流流动。当检测输入节点被拉到逻辑低电平时，晶体管M12的栅极通过INV1拉到VCC。与此同时将晶体管M13截止以及节点D通过电流源I1拉向零伏特。晶体管M12导通并且电流开始流动；应该注意到这个假设节点C处的电压幅度大于零。将晶体管M12连接作为源极跟随器，并且由于它的漏极电压，即节点C的电压，大于零，节点D处的电压增加到接近电流源I1提供的相同幅度。如果节点C的电压大于VCC的幅度，节点D的电压将向VCC增加。如果节点D的电压接近VCC减去M12的导通阈值，M12将进入工作的饱和区，电流幅度与电流源I1所提供的电流幅度相同。这将节点D处的电压限制到总是低于VCC的电压电平。节点C和节点D电压之间的电压幅度差出现在晶体管M12上，M12高电压横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)器件，它能够经受巨大的电压差。
通过与源极跟随器连接的晶体管M10提供节点C的电压。节点C处的电压等于节点B的电压减去晶体管M10的导通阈值。节点B的电压来自与二极管连接的晶体管M11，M11的源极/体端子连接节点A。在晶体管M11的栅极/漏极连接，即节点B，的电压通过电流源I2拉高。所以，节点B的电压等于节点A的电压加上晶体管M11的导通阈值。选择电流源I1和I2的幅度相等，并且晶体管M10和M11是匹配的。具有在晶体管M10和M11的漏极中流动的相等电流，M10和M11的导通阈值也将等同。通过推断能够看出节点C的电压接着等同于节点A的电压。
适应空载时间功能适应空载时间功能(图4-7)检测MOSFET半桥中点(在前面的讨论中称为节点A)处的电压VS。当高端MOSFET截止时，由于MOSFET的输出电感和漏极到源极的电容，电压VS将回转到0V。当电压VS到达接近0V的低幅度时，这是较低MOSFET导通的正确时间。结合图3描述的集成高电压偏置检测电路在集成电路低端电路的节点C产生一个信号，该信号从它回转低于VCC的点跟随VS，并给零电压检测提供参考信息。
图4中示出了波形VS，该图还示出了脉冲SPN-G和RPN-G，这些脉冲分别馈送图5MN30和MN31的栅极，这些脉冲产生了SPN和RPN输入，这些输入设置和复位高端输出HO。
参考图4，能够看出脉冲LTRIG存在于VS从高到低转换的开始时刻，并且当VS处的电压回转到几乎0V时产生脉冲ADT。这些脉冲之间的周期将确定空载时间。
将这些信号反馈给图6的适应空载时间电路。通过LTRIG来设置RRS1并通过来自振荡器的ADT或OON将RRS1复位，如果由于某种原因检测不到从高到低的转换，使该系统默认为固定的空载时间。当设置RRS1时，MP11断开并且由MP9和MP10构成的镜像电流源使电流流到电容器CB。因此电压将会在CB上存在，它与检测的VS从高到低的回转时间成正比。
由于不可能以相同的方式检测从低到高的回转时间，该系统通过复制从高到低的回转时间来确定正确的空载时间，能够假设从高到低的回转时间是相似的。当LO变低时，如图6中所示出现HTRIG脉冲，该脉冲设置触发器RRS2。在该点上，将另一个由MP13和MP14构成的相同电流源启动并且CA开始充电。当CA上的电压超出CB上的电压时，比较器CMP3的输出将变高，因此重复所述从高到低的回转时间。当CMP3的输出变高时，复位触发器RRS2，从而在RRS2的Q输出产生用于从低到高转换的正确的空载时间脉冲。将来自触发器RRS1和RRS2的Q输出馈送到或非(NOR)门NOR7中，以便产生ADTO输出，该输出提供一个信号，该信号在空载时间期间是低的，并且该信号在LO或HO高的时候是高的。所述ADTO信号在每个空载时间结束时在RSET输出处产生一个脉冲，将该脉冲馈送给振荡器，以便对定时电容器CT(未示出)进行放电并且开始下一个周期。为了提供这种设备，该振荡器是这样的类型，即在振荡器中产生斜波波形，这样当CT上的电压增加时，输出LO和HO将交替地为高，并且当CT上的电压降低时，LO和HO都将为低。在国际整流器生产的大多数半桥驱动器集成电路中，使用这种类型的振荡器和输出逻辑，并且因此不需要进一步描述。
在这种方式中，图4所示的振荡器输出OO将跟随适应空载时间电路，并且能够将该输出反转，并且接着将该输出经信号OON馈送至图7所示的输出逻辑电路，信号OON经与(AND)门，AND2和AND3提供LO和HO的消隐。
在图7中，如在冷阴极灯的情况下，当检测到高的VCS(电流检测管脚电压)时，CS输入用于将输出锁存断开(latch off)。
尽管由此结合特定的实施例对本发明进行了描述，但是对本领域技术人员来说，很多其他改变和变更以及其它使用是很明显的。因此，本发明不是由这里特别公开的内容所限定。
权利要求
1.一种用于振荡器驱动半桥电路的适应空载时间电路，包括检测电路，用于检测开关半桥中点处的电压；第一电路，用于产生第一信号，表现出所述电压从高到低的转换；和输出电路，用于产生一个适应空载时间的输出信号，该信号至少基于所述第一信号，适于控制所述振荡器的所述输出信号。
2.如权利要求1中的电路，进一步包括第二电路，用于产生第二信号，表现出所述电压从低到高的转换；其中所述输出电路产生所述适应空载时间输出信号，该信号基于所述第二信号和所述第一信号。
3.如权利要求1中的电路，其中所述第一电路在接近所述高到低转换开始处产生第一脉冲，并在靠近所述转换结束处产生第二脉冲，并产生基于所述第一和第二脉冲的所述第一信号。
4.如权利要求3中的电路，其中所述第二电路通过复制所述第一信号产生所述第二信号。
5.如权利要求4中的电路，其中所述第一电路通过响应所述第一和第二脉冲给电容器充电来产生所述第一信号，以便产生充电，该第一信号表现出所述从高到低的转换，以及所述第二电路通过给第二电容器充电来产生所述第二信号，以便产生充电，该充电与所述第一电容器上的所述充电相应，因此第二信号显示所述从低到高的转换；和所述输出电路产生所述适应空载时间输出信号，该信号响应所述第一和第二电容器上的所述充电，由此所述输出信号适于控制所述振荡器，该信号响应所述半桥中点处的所述从高到低以及从低到高的转换。
6.如权利要求2中的电路，其中所述第二电路通过复制所述第一信号产生所述第二信号。
7.如权利要求6中的电路，其中所述第一电路通过响应所述第一和第二脉冲给电容器充电来产生所述第一信号，以便产生充电，该第一信号表现出所述从高到低的转换，以及所述第二电路通过给第二电容器充电来产生所述第二信号，以便产生充电，该充电与所述第一电容器上的所述充电相应，因此第二信号显示所述从低到高的转换；和所述输出电路产生所述适应空载时间输出信号，该信号响应所述第一和第二电容器上的所述充电，由此所述输出信号适于控制所述振荡器，该信号响应所述半桥中点处的所述从高到低以及从低到高的转换。
8.如权利要求1中的电路，其中用于检测在开关半桥中点处电压的所述检测电路包括高电压器件，耦合至开关半桥中点，以便记录检测电压，该电压与该开关半桥中点处的电压有关；和电压检测输出电路，耦合至高压器件，用于接收检测电压并且输出一个信号以便有助于半桥电路的工作，从而避免基于半桥电路中点处电压的硬开关。
9.如权利要求8中的电路，其中所述高电压器件是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
10.如权利要求8中的电路，其中当断开开关半桥中的高端开关时，激励该高电压器件。
11.一种产生用于振荡器驱动半桥电路的适应空载时间信号的方法，包括步骤检测开关半桥中点处的电压；产生第一信号，表现出所述电压从高到低的转换；和产生适应空载时间输出信号，该信号至少基于所述第一信号，适于控制所述振荡器的所述输出信号。
12.如权利要求11中的方法，进一步包括步骤产生第二信号，表现出所述电压从低到高的转换；其中基于所述第二信号和所述第一信号产生所述适应空载时间输出信号。
13.如权利要求11中的方法，其中通过几个步骤产生所述第一信号在接近所述高到低转换开始处产生第一脉冲，并在靠近所述转换结束处产生第二脉冲，并产生基于所述第一和第二脉冲的所述第一信号。
14.如权利要求13中的方法，其中通过复制所述第一信号产生所述第二信号。
15.如权利要求14中的电路，其中通过响应所述第一和第二脉冲给电容器充电来产生所述第一信号，以便产生充电，该第一信号表现出所述从高到低的转换，以及通过给第二电容器充电来产生所述第二信号，以便产生充电，该充电与所述第一电容器上的所述充电相应，因此第二信号显示所述从低到高的转换；和产生所述适应空载时间输出信号，该信号响应所述第一和第二电容器上的所述充电，由此所述输出信号适于控制所述振荡器，该信号响应所述半桥中点处的所述从高到低以及从低到高的转换。
16.如权利要求12中的方法，其中通过复制所述第一信号产生所述第二信号。
17.如权利要求16中的方法，其中通过响应所述第一和第二脉冲给电容器充电来产生所述第一信号，以便产生充电，该第一信号表现出所述从高到低的转换，以及通过给第二电容器充电来产生所述第二信号，以便产生充电，该充电与所述第一电容器上的所述充电相应，因此第二信号显示所述从低到高的转换；和产生所述适应空载时间输出信号，该信号响应所述第一和第二电容器上的所述充电，由此所述输出信号适于控制所述振荡器，该信号响应所述半桥中点处的所述从高到低以及从低到高的转换。
18.如权利要求11中的方法，其中所述检测步骤包括步骤将高电压器件耦合到开关半桥的中点，以便记录高电压器件上的检测电压，该检测电压与开关半桥中点处的电压偏置有关；以及基于在高电压器件上记录的检测电压提供一个信号，以便在接通开关半桥的低端开关的时候，显示何时开关半桥中点处的电压已经达到一个值，这个值足以避免硬开关。
19.如权利要求18中的方法，进一步包括提供MOSFET作为高电压开关器件的步骤。
20.如权利要求18中的方法，还包括当将开关半桥中的高端开关断开时，激励高电压器件以便记录检测电压的步骤。
全文摘要
高电压偏置检测电路记录开关半桥中点处的电压，并且可以确定何时该中点电压达到一个给定的值以便避免该半桥开关中的硬开关。通过缓冲器将开关半桥的中点电应用到一个MOSFET，电流限制该MOSFET以便产生一个电压，该电压反映开关开关半桥中点处的电压。可以将MOSFET产生的电压提供给一个比较器，该比较器具有阈值输入，以便获得一个信号，该信号显示何时可以接通该开关半桥的开关，以便避免硬开关。适应空载时间的电路和方法可以包括上述检测电路，第一电路，用于产生第一信号，表现出中点电压从高到低的转换；以及一个输出电路，用于产生适应空载时间输出信号，该信号基于上面所述的信号。第二电路，可以产生第二信号，表现出该电压从低到高的转换；其中该输出电路产生该适应空载时间的输出信号，该信号基于第一和第二信号。第二电路优选通过复制第一信号产生第二信号。第一电路可以通过响应脉冲对电容器充电产生第一信号，并且该第二电路可以通过对第二电容器充电产生该第二信号，该第二电容器与所述第一电容器相应，并且该适应空载时间输出信号可以响应第一和第二电容器上的充电。
文档编号H03K17/296GK101061446SQ200580008903
公开日2007年10月24日 申请日期2005年2月22日 优先权日2004年2月19日
发明者尤利亚·鲁苏, 丹那·威廉, 彼得·格林 申请人:国际整流器公司