DE102005039840A1

DE102005039840A1 - Bootstrap-Dioden-Emulator mit dynamischer Substratvorspannung und Kurzschlussschutz

Info

Publication number: DE102005039840A1
Application number: DE102005039840A
Authority: DE
Inventors: Christian Locatelli
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2004-08-24
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2006-05-11
Also published as: JP2006087089A; KR20060050626A; US20060044051A1; JP3937354B2; KR100854146B1

Abstract

Eine Bootstrap-Dioden-Emulator-Schaltung zur Verwendung in einem Halbbrückenschaltkreis, der Transistoren, die in einer Totem-Pole-Konfiguration an einem Ausgangsknoten der Halbbrücke angeschlossen sind, eine Treiberschaltung zum Treiben der Transistoren und einen Bootstrap-Kondensator zum Bereitstellen von Leistung an den High-Side-Treiberschaltkreis einsetzt. Die Bootstrap-Dioden-Emulator-Schaltung enthält einen LDMOS-Transistor mit Gate, Substrat (back gate), Source und Drain, wobei Drain des LDMOS-Transistors mit dem High-Side-Versorgungsknoten gekoppelt ist, Source des LDMOS-Transistors mit dem Low-Side-Versorgungsknoten gekoppelt ist, ein Gate-Steuerkreis elektrisch mit dem Gate des LDMOS-Transistors gekoppelt ist und eine dynamische Substratvorspannungsschaltung elektrisch mit dem Substrat des LDMOS-Transistors gekoppelt ist. Ein Phasenerfassungskomparator erfasst die Spannung an dem Ausgangsknoten und steuert die Bootstrap-Dioden-Emulator-Schaltung, um durch Verhindern des Einschaltens des Dioden-Emulators, wenn die Ausgangsspannung nicht Low ist, und durch Abschalten des Dioden-Emulators, wenn die Ausgangsspannung auf High geht, während das Low-Side-Steuersignal noch immer High ist, Schaden auf Grund eines Kurzschlusses zwischen dem Ausgangsknoten und dem High-Side-Versorgungsknoten zu verhindern.

Description

Querverweis auf frühere Anmeldung
Diese Anmeldung basiert auf der vorläufigen Anmeldung mit der US-Seriennummer 60/604,177, angemeldet am 24. August 2004, die hierin durch Zitierung einbezogen ist, und nimmt das Prioritätsdatum dieser in Anspruch.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Hochspannungs-Halbbrückentreiberschaltungen und im Besonderen Schaltungen zum Nachbilden von Bootstrap-Dioden in Bootstrap-Kondensatorladeschaltungen.

Hintergrund der Erfindung

Die durch Zitierung hierin einbezogene U. S.-Seriennummer 10/712,893, angemeldet am 12. November 2003, betrifft Hochspannungs-Halbbrückentreiberschaltungen und legt im Besonderen einen Bootstrap-Dioden-Emulator mit dynamischer Substrat-Vorspannung für eine Bootstrap-Kondensatorladeschaltung offen. Hochspannungs-Halbbrückenschaltkreise werden in verschiedenen Anwendungen, wie zum Beispiel Motortreibern, elekt ronischen Vorschaltgeräten für Leuchtröhren und Stromversorgungen, verwendet. Die Halbbrückenschaltungen verwenden ein Paar in Totem-Pole-Konfiguration geschaltete Schaltelemente (beispielsweise Transistoren, IGBTs und oder FET-Einheiten), die über eine DC-Hochspannungsstromversorgung verteilt angeordnet werden. Unter Bezugnahme auf die 1 wird beispielsweise ein konventioneller Halbbrückenschaltkreis 100 gezeigt, wie nach dem Stand der Technik bekannt. Die Halbbrückenschaltung 100 enthält die Transistoren 105a und 105b, die an dem Lastknoten „A" in einer Totem-Pole-Konfiguration aneinander angeschlossen sind, eine DC-Spannungsquelle 110, die elektrisch an dem Drain-Anschluss des Transistors 105a und an die Source des Transistors 105b angeschlossen ist, die Gate-Treiberpuffer DRV1 und DRV2, die elektrisch jeweils an die Gates der Transistoren 105a und 106b angeschlossen sind, um die adäquaten Steuersignale zum Ein- und Ausschalten der Transistoren 105a und 105b bereitzustellen, und die DC-Spannungsversorgungen DC1 und DC2 zum Bereitstellen von elektrischer Energie jeweils zu den Transistoren 105a und 105b. Die DC-Spannungsversorgungen DC1 und DC2 sind generell geringerer Spannung als die DC-Spannungsquelle 110, da die zum richtigen Treiben der Transistoren 105a und 105b erforderlichen Gate-Treiberspannungspegel generell viel niedriger als die durch die DC-Spannungsquelle 110 bereitgestellten sind. Wie in der 1 gezeigt, nutzen der untere Transistor 105b, die DC-Spannungsversorgung DC2, die DC-Spannungsquelle 110 und der DRV2 alle einen gemeinsamen Knoten „b" und der obere Transistor 105a, die DC-Spannungsversorgung DC1 und der DRV1 nutzen einen gemeinsamen Lastknoten „A".

Betrieb werden die Transistoren 105a und 105b diametral gesteuert, so dass die Transistoren 105a und 105b nie zu derselben Zeit eingeschaltet sind. Das bedeutet, dass der Transistor 105b ausgeschaltet bleibt, wenn der Transistor 105a eingeschaltet ist und umgekehrt. In dieser Art und Weise ist die Spannung des Lastknotens „A" (d. h., die des an die Last gekoppelten Ausgangsknotens) nicht feststehend, sondern nimmt in Abhängigkeit davon, welcher der Transistoren 105a und 105b in einem gegebenen Moment eingeschaltet ist, stattdessen den Spannungspegel der DC-Spannungsquelle 110 oder null Volt an.

Da die DC-Spannungsversorgung DC2 und die DC-Spannungsquelle 110 einen gemeinsamen Knoten nutzen, kann die DC-Spannungsversorgung DC2 relativ einfach abgeleitet werden, beispielsweise durch Anzapfen eines adäquaten Spannungspegels (zum Beispiel unter Verwendung eines Spannungsteilers) von einer DC-Spannungsquelle 110. Jedoch erfordert eine „Bootstrap"-Technik, die DC-Spannungsversorgung DC1 abzuleiten, da die DC-Spannungsversorgung DC1 in Bezug auf die DC-Spannungsquelle 110 potenzialfrei sein muss. Für diesen Zweck wird, wie in der 2 gezeigt, die Spannungsversorgung DC1 beispielsweise durch das Schalten einer Hochspannungsdiode DBS zwischen die DC-Spannungsversorgung DC1 und einen Kondensator CBS, der als eine Spannungsversorgung DC1 zum Versorgen des Treibers DRV1 mit Energie dient, von der DC-Spannungsversorgung DC2 abgeleitet.

Wenn der Transistor 105b eingeschaltet ist, ist der Lastknoten „A" effektiv an null Volt angeschlossen und die Diode DBS ermöglicht, dass der Strom von der Leistungsversorgung DC2 zu dem Kondensator CBS fließt, wodurch der Kondensator CBS ungefähr auf den Spannungspegel der DC-Leistungsversorgung DC2 geladen wird. Wenn der Transistor FET 105 ausgeschaltet ist und der Transistor 105a eingeschaltet ist, wird die Spannung an Lastknoten „A" annähernd den Spannungspegel der DC-Spannungsquelle annehmen, was verursacht, dass die Diode DSB in Sperrrichtung betrieben wird, wobei kein Strom von DC2 zu dem Kondensator CBS fließt. Während die Diode DBS weiter in Sperrrichtung betrieben wird, versorgt die in dem Kondensator CBS gespeicherte Ladung den Puffer DRV1 mit Spannung. Jedoch wird der Kondensator CBS DRV1 nur für einen begrenzten Zeitraum mit Spannung versorgen und infolgedessen müssen der Transistor 105a ausgeschaltet werden und der Transistor 105b eingeschaltet werden, um die in dem Kondensator CBS gespeicherte Ladung wieder zu ergänzen.

In vielen derzeitigen Halbbrücken-Treiberschaltungen werden der Bootstrap-Kondensator CBS und die Bootstrap-Diode DBS aus diskreten Komponenten gebildet, die außerhalb des Chips (off-chip) bereitgestellt werden, da die erforderliche elektrische Kapazität des Bootstrap-Kondensators und die Durchbruchspannung und die Spitzenstromkapazität, die die Bootstrap-Diode erfordert, zu groß sind, um in dem Chip erzeugt zu werden.

US-Patent Nr. 5,502,632, erteilt an Warmerdam (im Folgenden „die 632-Referenz"), durch Zitierung hierin einbezogen, betrifft einen integrierten Hochspannungs-Schaltungstreiber, der einen Bootstrap-Dioden-Emulator anwendet. Der Emulator enthält einen LDMOS-Transistor T3, der gesteuert wird, um den Bootstrap-Kondensator C1 nur dann zu laden, wenn die Low-Side-Treiberschaltung angesteuert wird. Der LDMOS-Transistor wird in einer Source-Folger-Konfiguration betrieben, wobei seine Source-Elektrode an den Low-Side-Leistungsversorgungsknoten angeschlossen ist und seine Drain-Elektrode an den Bootstrap-Kondensator angeschlossen ist. Während der LDMOS-Transistor getrieben wird, wird der durch einen parasitären Transistor T5 geleitete Strom begrenzt, da derartiges Leiten zu Verlusten des zum Laden des Bootstrap-Kondensators C1 verfügbaren Stroms durch Ableitung führt. Des Weiteren ist das Substrat (back gate) des 632-LDMOS-Transistors im Normalbetrieb an eine Vor spannung geklemmt, um sicherzustellen, dass eine konstante 4-V-Gate-zu-Source-Spannung erforderlich ist, um den LDMOS-Transistor einzuschalten.

Obwohl konventionelle Boostrap-Dioden-Emulatoren, wie der in dem 632-Patent beschriebene Emulator, den Strom durch den parasitären Transistor begrenzen, wird angenommen, dass derartige Emulatoren nachteilig zulassen, dass durch den parasitären Transistor wenigstens etwas Strom zu dem Bezugspotenzial ableitet wird, und dadurch dem Bootstrap Kondensator wenigstens etwas des zum Laden erforderlichen Stroms geraubt wird. In dieser Art und Weise lädt der Bootstrap-Kondensator langsamer und macht die konventionellen Bootstrap-Dioden-Emulatoren für bestimmte Anwendungen, wie zum Beispiel Hochfrequenz-Halbbrückentreiberanwendungen, ineffektiv.

In Reaktion auf die oben beschriebenen Nachteile der konventionellen Bootstrap-Dioden-Emulatoren beschreibt die 893-Anmeldung einen Bootstrap-Dioden-Emulator mit einem LDMOS-Transistor und einer Schaltung, die betrieben werden kann, um das Substrat (back gate) des LDMOS-Transistors durch das Anlegen einer Spannung, die nahezu die Drain-Spannung, jedoch etwas geringer als die Drain-Spannung des LDMOS-Transistors ist, dynamisch vorzuspannen, wenn der LDMOS eingeschaltet wird. In dieser Art und Weise bleibt der Basis-Emitter-Anschluss des parasitären Transistors in Sperrvorspannung und schaltet sich so nie ein, um Strom aus der Bootstrap-Kondensatorladung abzuleiten. Des Weiteren verursacht eine derartige dynamische Vorspannungsregelung, dass die Einschaltschwelle des LDMOS-Transistors nahe ihrer Nullspannungs-Vorspannungsgröße ist und dadurch ihren Rdson für eine gegebene Gate-zu-Source-Spannung minimiert.

Im Folgenden Bezug nehmend auf die 3, wird ein Halbbrückenschaltkreis 300 gemäß der 893-Anmeldung gezeigt. Der Halbbrückenschaltkreis 300 ist dem konventionellen Schaltkreis der 2 gleichartig, ausgenommen, dass anstelle der Diode DBS ein Bootstrap-Dioden-Emulator 302 bereitgestellt wird. Der Bootstrap-Dioden-Emulator 302 arbeitet, um einen High-Side-Versorgungsknoten 305 mit einer Spannung, die annähernd gleich der Low-Side-Spannungsversorgung DC2 ist, wenn der Low-Side-Treiber DRV2 betrieben wird, um die FET-Vorrichtung 105b einzuschalten, zu versorgen. Speziell ermöglicht der Bootstrap-Dioden-Emulator 302, wenn der Transistor 105b eingeschaltet ist, dass der Strom von der Leistungsversorgung DC2 zu dem Kondensator CBS fließt und dadurch den Kondensator CBS auf annähernd den Spannungspegel der DC-Leistungsversorgung DC2 lädt. Wenn der Transistor 105b ausgeschaltet wird und der Transistor 105a eingeschaltet wird, verhindert der Bootstrap-Dioden-Emulator 302, dass Strom von DC2 zu dem Kondensator CBS fließt, wobei die in dem Bootstrap-Kondensator CBS gespeicherte Ladung den Puffer DRV1 mit Spannung versorgt. Es sollte anerkannt werden, dass die FET-Einheiten 105a und 105b unter Anwendung von anderen Schalteinheiten, wie zum Beispiel IGBTs, implementiert werden könnten. Es sollte außerdem anerkannt werden, dass der High-Side- und der Low-Side-Steuereingang, H_IN und L_IN, für die 893-Anmeldung nicht wesentlich sind und durch jede Anzahl von Steuereingängen, wie beispielsweise einen einzelnen Steuereingang ersetzt werden könnten. Dieser einzelne Steuereingang kann direkt in einen der Puffer DRV1 oder DRV2 gespeist werden, wobei der andere der Puffer DRV1 oder DRV2 eine Inversion des einzelnen Steuereingangs empfängt. Diese „Inversion" kann beispielsweise durch Verwendung eines in der Technik bekannten konventionellen Inverter-Gates erreicht werden.

Im Folgenden Bezug nehmend auf die 4, wird ein exemplarischer Bootstrap-Dioden-Emulator 302 gemäß der 893- Anmeldung gezeigt. Der Bootstarp-Dioden-Emulator 302 enthält einen LDMOS-Transistor 405, einen Gate-Steuerkreis 410, der elektrisch mit dem Gate des LDMOS-Transistors 405 gekoppelt ist, und einen dynamischen Substrat-Vorspannungskreis 415, der elektrisch mit dem Substrat (back gate) des LDMOS-Transistors 405 gekoppelt ist. Der Gate-Steuerkreis 410 und der dynamische Substrat-Vorspannungsschalt kreis sind außerdem mit Low-Side-Versorgungs- und Rückleitungsknoten und dem Low-Side-Steuereingang L_IN verbunden. Die Source des LDMOS-Transistors 405 ist an den Low-Side-Versorgungsknoten (Vcc) angeschlossen und der Drain-Anschluss des LDMOS-Transistors 405 ist an den Bootstrap-Kondensator CBS angeschlossen.

Der LDMOS-Transistor 405 wird um den Umfang einer High-Side-Bohrung ausgebildet, wobei der Einschaltwiderstand des LDMOS-Transistors 405 von dem Gesamtumfang der High-Side-Bohrung abhängig ist. Der Einschaltwiderstand des LDMOS-Transistors 405 kann klein genug sein, um den Strom zu sichern, der gebraucht wird, um den Bootstrap-Kondensator CBS während der kurzen Einschaltzeit des LDMOS-Transistors 405 zu laden.

Der Gate-Steuerkreis 410 enthält Schaltungstechnik, die in Funktion den LDMOS-Transistor 405 einschalten kann, wenn der Low-Side-Treiber DRV2 betrieben wird, um die FET-Einheit 105b einzuschalten. Dazu empfängt der Gate-Steuerkreis 410 den Low-Side-Treibersteuereingang L_IN, der anzeigt, ob der Low-Side-Treiber DRV2 betrieben wird. Im Folgenden Bezug nehmend auf die 5, wird ein exemplarischer Gate-Steuerkreis 410 gemäß der 893-Anmeldung gezeigt. Der Gate-Steuerkreis 410 enthält die Transistoren 530 und 535, die zwischen dem Gate des LDMOS-Transistors 405 und dem Low-Side-Rückleitungsknoten (Gnd) in einer Totem-Pole-Konfiguration an den Knoten „D" an geschlossen sind, den Transistor 525, der sowohl mit dem Knoten „D" als auch mit dem Low-Side-Versorgungsknoten (Vcc) elektrisch gekoppelt ist, einen Transistor 545, der elektrisch zwischen das Substrat (back gate) des LDMOS-Transistors 405 und den Low-Side-Rückleitungsknoten (Gnd) gekoppelt ist, einen Inverter 505, der elektrisch mit den Gates der Transistoren 525, 530, 535 und 545 gekoppelt ist, einen Kondensator 540, der elektrisch mit dem Drain-Anschluss des Transistors 530 gekoppelt ist, einen Inverter 515, der elektrisch mit dem Kondensator 540 gekoppelt ist, eine Stromquelle 510, die zwischen den Inverter 515 und den Low-Side-Rückleitungsknoten (Gnd) gekoppelt ist, und einen Transistor, der zwischen den Inverter 515 und den Low-Side-Versorgungsknoten (Vcc) gekoppelt ist, wobei das Gate des Transistors 520 an den Knoten „D" angeschlossen ist.

In Betrieb schaltet der Gate-Steuerkreis 410 entsprechend dem Low-Side-Treibersteuereingang L_IN den LDMOS-Transistor 405 ein. Dazu stellt der Gate-Steuerkreis 410 eine in Beziehung zu seiner Source positive Spannung zu dem Gate des LDMOS-Transistors 405 bereit. Da die Source des LDMOS-Transistors 405 an den Low-Side-Versorgungsknoten (Vcc) angeschlossen ist, wird eine Ladungspumpe bereitgestellt, um das Gate des LDMOS-Transistors über den Low-Side-Versorgungsknoten (Vcc) anzusteuern. Dies wird durch Bootstrap-Laden des Kondensators 450 und Anlegen dieser Spannung an das Gate des LDMOS-Transistors durchgeführt.

Wenn der Low-Side-Steuereingang L_IN Low ist (beispielsweise null Volt), wird die Spannung an jedem Knoten des Kondensators 540 auf null Volt gehalten. Das Gate des LDMOS-Transistors 405 wird durch die Transistoren 530 und 535 auf null Volt gehalten und das Substrat (back gate) des LDMOS-Transistors 405 wird durch den Transistor 545 auf null Volt gehalten. In diesem Zustand sind die an das Gate und an das Substrat des LDMOS-Transistors 405 angelegten Spannungen in Beziehung zu dem Source-Knoten des LDMOS-Transistors 405 negativ. Infolgedessen bleibt der LDMOS-Transistor 405 ausgeschaltet und der „Substratsteuereffekt" („body effect") erhöht die Einschaltschwelle des LDMOS-Transistors 405 über den Null-Vo1t-Substrat-/Source-Vorspannungspegel. Dies ist wichtig, weil sich der LDMOS-Transistor 405 nicht zur falschen Zeit einschalten sollte, insbesondere nicht während der Spannungsübergänge des Lastknotens „A". Bei Anwendungen, bei denen an dem Lastknoten „A" ein hoher Anteil von dV/dt vorhanden ist, kann der Miller-Effekt-Strom des LDMOS-Transistors 405 ziemlich groß sein, wodurch ein Spannungsanstieg an dem Gate des LDMOS-Transistors 405 verursacht wird. Durch Maximieren der Einschaltschwelle des LDMOS-Transistors 405 durch Nutzung des „Substratsteuereffektes" wird das Potenzial für unbeabsichtigtes Einschalten des LDMOS-Transistors 405 minimiert.

Wenn der Low-Side-Steuereingang L_IN High ist, werden die Transistoren 530 und 535 ausgeschaltet und der Transistor 525 wird eingeschaltet. Die Spannung an dem Knoten „D" wird durch den Transistor 525 nach einer finiten Verzögerung zu dem Vcc gezogen. Diese finite Verzögerung erfolgt auf Grund der kapazitiven Ladung des Knotens „D" durch das Gate des LDMOS-Transistors 405 und des Kondensators 540 durch die Substratdiode des Transistors 530. Während dieser begrenzten Zeit bleibt der Transistor 520 eingeschaltet, der Knoten „E" wird auf High gehalten und der Knoten „F" wird Low angesteuert. Dies verursacht, dass die Spannung über dem Kondensator 540 in Beziehung zu dem Knoten „F" ansteigt. Sobald die Spannung an dem Knoten „D" annähernd auf die Spannung des Low-Side-Versorgungsknotens (Vcc) angestiegen ist, schaltet sich der Transistor 520 aus und die Spannung an dem Knoten „E" wird durch die Stromquelle 510 auf Low gezogen. Dies verursacht, dass die Spannung am Knoten „F" durch den Inverter 515 zu der Low-Side-Versorgungsknoten-(Vcc-)Spannung gezogen wird und dass die Spannung an Knoten „G" um eine Spannung gleich der Menge von Ladespannung, die in dem Kondensator 540 aufrechterhalten wird, über den Low-Side-Versorgungsknoten (Vcc) gezogen wird. Die effektive Spannungsgröße an dem Knoten „G" ist zu diesem Zeitpunkt ideal gleich dem Zweifachen des Low-Side-Versorgungsknotens. Jedoch ist die Spannung an dem Knoten „G" generell um eine Spannungsmenge niedriger, die annähernd gleich der Summe des Substratdiode-Spannungsabfalls des Transistors 530 und der Schwellenspannung des Transistors 520 ist. Gleichwohl schaltet der LDMOS-Transistor 405 ein, da die Spannung am Knoten „G" wesentlich höher (d. h. ungefähr das Zweifache des Low-Side-Versorgungsknotens (Vcc)) als die Schwellenspannung des LDMOS-Transistors 405 ist. Dies veranlasst den Drain-Knoten des LDMOS-Transistors 405 zum Laden des Bootstrap-Kondensators CBS auf annähernd den Low-Side-Versorgungsknoten (Vcc) zu laden.

Im Folgenden Bezug nehmend auf die 6, ist eine exemplarische dynamische Substrat-Vorspannungsschaltung gemäß der 893-Anmeldung gezeigt. Die dynamische Substrat-Vorspannungsschaltung 415 enthält den Transistor 635, den Inverter 605, der elektrisch mit dem Gate des Transistors 635 gekoppelt ist, eine Stromquelle, die elektrisch mit dem Low-Side-Rückleitungsknoten (Gnd) gekoppelt ist, einen Transistor 620, der elektrisch zwischen den Low-Side-Versorgungsknoten (Vcc) und die Stromquelle 610 gekoppelt ist, eine Stromquelle 615, die elektrisch mit dem Low-Side-Rückleitungsknoten (Gnd) gekoppelt ist, einen Transistor 625, der elektrisch zwischen die Stromquelle 615 und Drain des LDMOS-Transistors 405 gekoppelt ist, und einen parasitären Transistor 630, der elektrisch zwischen das Substrat (back gate) des LDMOS-Transistors 405 und den Low-Side-Rückleitungsknoten (Gnd) gekoppelt ist.

Wenn der LDMOS-Transistor 405 eingeschaltet ist, beginnt der Bootstrap-Kondensator CBS auf eine Spannung zu laden, die ungefähr dem Low-Side-Versorgungsknoten (Vcc) gleich ist. Die Zeit, die für den Bootstrap-Kondensator zum Laden erforderlich ist, hängt von der Kapazität des Bootstrap-Kondensators CBS und dem Rdson des LDMOS-Transistors 405 ab. Der Rdson-Wert ist sowohl von der Größe des LDMOS-Transistors 405 als auch von der an das Gate des LDMOS-Transistors 405 angelegten Spannung relativ zu seiner Einschaltschwelle abhängig. Wie oben beschrieben, wird die an das Substrat des LDMOS-Transistors 405 angelegte Spannung in Beziehung zu der Source-Spannung negativ gehalten, um sicherzustellen, dass sich der LDMOS-Transistor 405 nicht zu einer unangemessenen Zeit einschaltet. Jedoch verursacht dies, dass der Rdson des LDMOS-Transistors 405 für eine gegebene Gate-zu-Source-Spannung größer ist, als wenn das Substrat des LDMOS-Transistors 405 mit demselben Potenzial wie seine Source gehalten würde. Der größere Rdson des LDMOS-Transistors 405 erhöht die Zeit, die erforderlich ist, um den Bootstrap-Kondensator CBS maximal zu laden, unvorteilhaft.

Deshalb ist es, um den großen Rdson auszugleichen, erstrebenswert, die Spannung des Substrats zu erhöhen, während der Bootstrap-Kondensator auflädt. In dieser Art und Weise wird die Zeit, die erforderlich ist, um den Bootstrap-Kondensator CBS aufzuladen, verringert. Jedoch kann wegen der LDMOS-Konstruktion der Transistoren 405 und 625 eine parasitäre Ableitung von Strom eintreten, wenn die Substratspannung der LDMOS-Transistoren 405 und 625 auf oder nahezu auf die Span nung der Drain-Anschlüsse der LDMOS-Transistoren 405 und 625 erhöht wird. Das parasitäre Ableiten wird durch den parasitären PNP-Transistor 630 modelliert, der, wenn er eingeschaltet ist, arbeitet, um Strom von den Drains der LDMOS-Transistoren 405 und 462 zu dem Low-Side-Rückleitungsknoten (Gnd) abzuleiten, wodurch der Strom, der gebraucht wird, um den Bootstrap-Kondensator CBS aufzuladen, abgeleitet wird.

Um diesen Nachteil auszugleichen, bilden die Transistoren 620, 625, 630 und 635 und die Stromquelle 610 und 615 eine dynamische Substrat-Vorspannungsschaltung 415. Diese Schaltung 415 arbeitet, um eine Spannung an das Substrat (back gate) der LDMOS-Transistoren 405 und 625 anzulegen, die nahezu die Spannung der Drain-Anschlüsse der LDMOS-Transistoren 405 und 625, jedoch immer etwas niedriger als diese ist. In dieser Art und Weise bleibt der Basis-Emitter-Anschluss des parasitären Transistors 630 in Sperrvorspannung und schaltet sich deshalb nicht ein.

Die dynamische Substratvorspannung 415 arbeitet durch das Erfassen der Spannung an dem Drain-Anschluss des LDMOS-Transistors 405 während der Einschaltzeit des LDMOS-Transistors 405. Während der Einschaltzeit ist der Transistor 635 eingeschaltet und die Knoten „H" und „T" werden jeweils durch die Transistoren 635 und 545 auf null Volt gehalten. Der Transistor 620 wird abgeschaltet, da sein Gate und seine Source auf demselben Potenzial gehalten werden. Das Gate des Transistors 625 wird auf null Volt gehalten und während dieser Zeit ebenso ausgeschaltet. Die Substratanschlüsse der LDMOS-Transistoren 405 und 625 werden durch den Transistor 545 auf null Volt gehalten, wenn der Low-Side-Steuereingang L_IN auf High gezogen wird.

Im Folgenden Bezug nehmend auf die 7, wird ein schematisches Diagramm einer exemplarischen integrierten Halb brückenschaltung 700 gemäß der 893-Anmeldung gezeigt. Die integrierte Schaltung 700 enthält einen Gate-Steuerkreis 410, den LDMOS-Transistor 405, die dynamische Substrat-Vorspannungsschaltung 415, den High-Side-Treiber DRV1 und den DRV2 in einer abgeflachten nicht hierarchischen Darstellung. In der 7 wird die Funktion des Inverters 605 (in der 6 gezeigt) stattdessen durch den Inverter 505 (siehe 5) ausgeführt. Die integrierte Halbbrückenschaltung 700 kann in einer konventionellen Halbbrückentreiberschaltung verwendet werden, um für verschiedene Anwendungen, wie zum Beispiel Motortreiber, elektronische Vorschaltgeräte für Leuchtröhren und Energieversorgungen, die Transistoren 105a und 105b zu treiben.

Zusammenfassung der Erfindung

Die in der 893-Anmeldung beschriebenen Schaltungen stellen gegenüber dem Stand der Technik eine beträchtliche Verbesserung dar. Jedoch bleibt das Problem, dass unter bestimmten Umständen bei Motortreiberanwendungen zwischen dem Phasenausgang VS (Knoten A in den 3 und 7) und der DC+ (Hochspannungsgleichstromversorgung) oder zwischen dem Phasenausgang VS und einem anderen Phasenausgang ein Kurzschluss eintreten kann.

Ein derartiger Kurzschluss kann für die Bootstrap-Emulator-Schaltung sehr gefährlich sein, weil, wenn er eintritt, während der LDMOS-Transistor 405 eingeschaltet ist und den Kondensator CBS lädt, die Teile der Schaltung, die mit der Low-Side-Versorgungsspannung vorgespannt sind, alle geschädigt werden können.

Um ein solches Ereignis zu verhindern, stellt die vorliegende Erfindung einen Phasenerfassungskomparator bereit, der VS erfasst, die Bootstrap-Dioden-Emulator-Schaltung aus schaltet, wenn VS auf High geht und der Low-Side-Ausgang noch eingeschaltet ist, und nicht zulässt, dass sich der Dioden-Emulator einschaltet, wenn VS nicht auf DC-(GnD) ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die auf die begleitenden Zeichnungen Bezug nimmt, offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine konventionelle Hochspannungs-Halbbrückentreiberschaltung dar.
2 stellt einen konventionelle Hochspannungs-Halbbrückentreiberschaltung dar, die eine Bootstrap-Diode und einen Bootstrap-Kondensator verwendet.
3 stellt eine Halbbrückentreiberschaltung dar, die einen Bootstrap-Dioden-Emulator gemäß der 893-Anmeldung verwendet.
4 ist ein Blockdiagramm, das weitere Einzelheiten des Bootstrap-Dioden-Emulators der 3 zeigt.
5 stellt einen Gate-Steuerkreis gemäß der 893-Anmeldung dar.
6 stellt eine exemplarische dynamische Substrat-Vorspannungsschaltung gemäß der 893-Anmeldung dar.
7 stellt eine integrierte Halbbrücken-Gate-Treiberschaltung gemäß der 893-Anmeldung dar.
8 ist ein Blockdiagramm, das einen Bootstrap-Dioden-Emulator und einen Phasenerfassungskomparator gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
9 ist ein Funktionsschaltbild, das das Signaltiming in dem Schaltkreis der 8 zeigt.
10 ist ein Funktionsschaltbild des Phasenerfassungskomparators in 8.
11 ist ein Funktionsschaltbild, das das Signaltiming in dem Schaltkreis der 10 darstellt.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung
Die 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Bootstrap-Dioden-Emulator-Treiber 200 enthält zwei Gate-Steuerkreise und eine dynamische Substrat-Vorspannungsschaltung. Die Strukturen und die Funktionen dieser Schaltungen können gleichartig denen der entsprechenden Schaltungen 410 und 415 in der 893-Anmeldung sein, wie in der 7 gezeigt.
Der erste Gate-Steuerkreis treibt das Gate des Dioden-Emulators LDMOS 405 (vergleiche den Gate-Steuerkreis 410 und seinen Ausgang am Knoten G in der 7).
Der zweite Gate-Steuerkreis ist gleichartig wie der erste aufgebaut und treibt das Gate eines VS SENSE LDMOS 210 in dem Phasenerfassungskomparator 220 (siehe 10).
Die in den 8–11 gezeigten Referenzen sind wie folgt definiert:

VCC: Low-Side-Versorgungsspannung
VSS: Logic ground
VS: High-Side-Offsetspannung (Phase)
VBS: Erhaltungsladespannung
LO_PD: Low-Side-Ausgang, Vortreiber
Vγ: Vgs + Vdson von LDMOS 210

Der Phasenerfassungskomparator 220 ist in der 8 in Blockform gezeigt und detaillierter in der 10 gezeigt.
In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Phasenerfassungskomparator tätig, um den Dioden-Emulator aus zuschalten, wenn VS zu Hochspannungs-DC+ geht und das Low-Side-Steuersignal LO_PD noch eingeschaltet ist. Der Phasenerfassungskomparator verhindert außerdem das Einschalten des Dioden-Emulators, wenn VS nicht auf DC-(GND) ist. Siehe 8 und 9.
Die Komparatorschaltung 220 (10) verwendet die LDMOS-Vorrichtung 210 und den Niederspannungs-NMOS 225, um VBS (gleich VS + VCC) mit VCC zu vergleichen. Die jeweiligen Ströme I_A und I_B über die Widerstände R durch den LDMOS 210 und den NMOS 225 werden zu einem Stromkomparator 230 mit einer Hysterese-Eigenschaft bereitgestellt.
Wenn das LO_PD-Signal eingeschaltet ist, ist der Stromkomparator der 10 aktiviert und der erste Gate-Steuerkreis stellt das Signal, das verwendet wird, um den VS SENSE LDMOS 210 einzuschalten, bereit. Dann, wenn VB ≤ VCC + V Hysterese ist, aktiviert der Stromkomparator 230 anschließend den zweiten Gate-Steuerkreis, um den Dioden-Emulator LDMOS 405 einzuschalten.
Der Dioden-Emulator 405 bleibt eingeschaltet, bis das LO_PD-Signal ausgeschaltet wird oder bis VB ≥ VCC + V Hysterese wird.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsbeispiele davon beschrieben wurde, werden für einen Fachmann in dieser Technik viele weitere Variationen, Modifikationen und weitere Verwendungen offensichtlich sein. Deshalb ist die Erfindung nicht dadurch eingeschränkt, wie sie hierin offen gelegt wurde.

Claims

Bootstrap-Dioden-Emulator-Schaltung zur Verwendung mit einem Halbbrückenschaltkreis, umfassend Low-Side-Transistoren und High-Side-Transistoren, die in einer Totem-Pole-Konfiguration an einem Lastknoten aneinander angeschlossen sind, wobei die Low-Side-Transistoren und die High-Side-Transistoren jeweilige Gate-Knoten haben, einen Treiberschaltkreis, der elektrisch mit den Gate-Knoten der Low-Side-Transistoren und der High-Side-Transistoren gekoppelt ist, wobei der Treiberschaltkreis durch wenigstens einen Steuereingang steuerbar ist, eine Low-Side-Spannungsversorgung zum Erzeugen einer Low-Side-Spannung an einem Low-Side-Versorgungsknoten und einen Bootstrap-Kondensator, der zwischen einen High-Side-Versorgungsknoten und den Lastknoten gekoppelt ist, die Bootstrap-Dioden-Emulator-Schaltung umfasst: einen LDMOS-Transistor mit einem Gate, einem Substrat (back gate), einer Source und einem Drain-Anschluss, wobei Drain des LDMOS-Transistors mit dem High-Side-Versorgungsknoten gekoppelt ist und Source des LDMOS-Transistors mit dem Low-Side-Versorgungsknoten gekoppelt ist; einen Gate-Steuerkreis, der elektrisch mit dem Gate des LDMOS-Transistors gekoppelt ist, wobei der Gate-Steuerkreis betrieben werden kann, um den LDMOS-Transistor dem wenigstens einen Steuereingang entsprechend einzuschalten; eine Schutzschaltung, die die Spannung an dem Lastknoten erfasst, das Einschalten des LDMOS-Transistors verhindert, wenn die Lastspannung nicht Low ist, und den LDMOS-Transistor ausschaltet, wenn die Lastspannung auf High geht, während der Steuereingang ebenfalls High ist.
Bootstrap-Dioden-Emulator-Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Low-Side-Transistoren und die High-Side-Transistoren FET-Einheiten oder IGBT-Einheiten enthalten.
Bootstrap-Dioden-Emulator-Schaltung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: eine dynamische Substratvorspannungsschaltung, die elektrisch mit dem Substrat des LDMOS-Transistors gekoppelt ist, wobei die dynamische Substratvorspannungsschaltung betrieben werden kann, um das Substrat des LDMOS-Transistors, wenn der LDMOS-Transistor eingeschaltet ist, durch Anlegen einer Spannung an das Substrat des LDMOS-Transistors, die nahezu eine Spannung des Drain-Anschlusses des LDMOS Transistors ist, jedoch geringfügig niedriger als diese ist, dynamisch vorzuspannen.
Halbbrückenschaltkreis zum Steuern von Low-Side-Transistoren und High-Side-Transistoren, die an einem Lastknoten in einer Totem-Pole-Konfiguration elektrisch aneinander angeschlossen sind, wobei die Low-Side-Transistoren und die High-Side-Transistoren jeweilige Gate-Knoten haben, und ein Bootstrap-Kondensator, der elektrisch zwischen einen High-Side-Versorgungsknoten und einen Lastknoten gekoppelt ist, der Halbbrückenschaltkreis umfasst: einen Treiberschaltkreis, der elektrisch mit den Gate-Knoten der Low-Side-Transistoren und der High-Side-Transistoren gekoppelt ist, wobei der Treiberschaltkreis durch wenigstens einen Steuereingang steuerbar ist; eine Low-Side-Spannungsversorgung zum Erzeugen einer Low-Side-Spannung an einem Low-Side-Versorgungsknoten; eine Bootstrap-Dioden-Emulator-Schaltung, die mit dem Low-Side-Versorgungsknoten gekoppelt ist und einen LDMOS-Transistor mit Source-, Gate-, Drain- und Substrat-Knoten enthält, wobei der LDMOS-Transistor steuerbar ist, um den High-Side-Versorgungsknoten mit einer Spannung zu versorgen, die der Low-Side-Spannung, wenn der Low-Side-Treiber in Funktion ist, annähernd gleich ist, und eine Schutzschaltung, die die Spannung an dem Lastknoten erfasst, das Einschalten des LDMOS-Transistors verhindert, wenn die Lastspannung nicht Low ist, und den LDMOS-Transistor ausschaltet, wenn die Lastspannung auf High geht, während der Steuereingang ebenfalls High ist.
Halbbrückenschaltkreis nach Anspruch 4, wobei die Low-Side-Transistoren und die High-Side-Transistoren FET-Einheiten oder IGBT-Einheiten enthalten.
Halbbrückenschaltkreis nach Anspruch 4, wobei der Bootstrap-Dioden-Emulator betrieben werden kann, um den Substrat-Knoten des LDMOS-Transistors durch Anlegen einer Spannung an das Substrat des LDMOS-Transistors, die nahezu eine Spannung des Drain-Anschlusses des LDMOS Transistors ist, jedoch geringfügig niedriger als diese ist, dynamisch vorzuspannen.
Verfahren zum Betreiben einer Bootstrap-Dioden-Schaltung zur Verwendung mit einem Halbbrückenschaltkreis, die Schaltung umfasst Low-Side-Transistoren und High-Side-Transistoren, die in einer Totem-Pole-Konfiguration an einem Lastknoten aneinander angeschlossen sind, wobei die Low-Side-Transistoren und die High-Side-Transistoren jeweilige Gate-Knoten haben, einen Treiberschaltkreis, der elektrisch mit den Gate-Knoten der Low-Side-Transistoren und der High-Side-Transistoren gekoppelt ist, wobei der Treiberschaltkreis durch wenigstens einen Steuereingang steuerbar ist, eine Low-Side-Spannungsversorgung zum Erzeugen einer Low-Side-Spannung an einem Low-Side-Versorgungsknoten und einen Bootstrap-Kondensator, der zwischen einen High-Side-Versorgungsknoten und den Lastknoten gekoppelt ist, die Bootstrap-Dioden-Emulator-Schaltung umfasst: einen LDMOS-Transistor mit einem Gate, einem Substrat, einer Source und einem Drain-Anschluss, wobei der Drain- Anschluss des LDMOS-Transistors mit dem High-Side-Versorgungsknoten gekoppelt ist, die Source des LDMOS-Transistors mit dem Low-Side-Versorgungsknoten gekoppelt ist und ein Gate-Steuerkreis elektrisch mit dem Gate des LDMOS-Transistors gekoppelt ist; das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Betreiben des Gate-Steuerkreises, um den LDMOS-Transistor dem wenigstens einen Steuereingang entsprechend einzuschalten; Erfassen der Spannung an dem Lastknoten und Steuern des LDMOS-Transistors in Reaktion auf die erfasste Spannung.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Steuerschritt das Verhindern des Einschaltens des LDMOS-Transistors, wenn die Lastspannung nicht Low ist, einschließt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Steuerschritt das Ausschalten des LDMOS-Transistors, wenn die Lastspannung auf High geht, während der Steuereingang ebenso High ist, einschließt.
Verfahren nach Anspruch 7, des Weiteren den Schritt des Betreibens einer dynamischen Vorspannungsschaltung, die elektrisch mit dem Substrat des LDMOS-Transistors gekoppelt ist, umfassend, um das Substrat des LDMOS-Transistors, wenn der LDMOS-Transistor eingeschaltet ist, durch Anlegen einer Spannung an das Substrat des LDMOS- Transistors, die nahezu eine Spannung des Drain-Anschlusses des LDMOS Transistors ist, jedoch geringfügig niedriger als diese ist, dynamisch vorzuspannen.