一種用於控制橋式驅動電路的柵極驅動電路的製作方法

2023-10-24 21:46:12

專利名稱：一種用於控制橋式驅動電路的柵極驅動電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種驅動電路，尤其是涉及一種用於控制橋式驅動電路的柵極驅 動電路。
背景技術：
橋式驅動電路是開關電源領域裡的一種常見應用電路，橋式驅動電路一般包括 半橋驅動電路和全橋驅動電路，兩個半橋驅動電路可以組合成一個全橋驅動電路，橋式驅 動電路經常被應用於電子鎮流器這一類產品上。圖1給出了典型的採用現有技術的半橋 驅動電路的原理圖，該半橋驅動電路包括第一功率器件10、第二功率器件20和一個控制 晶片即柵極驅動晶片30，第一功率器件10作為高壓側的功率器件，第二功率器件20作 為低壓側的功率器件，柵極驅動晶片30簡稱柵驅動晶片，其是橋式驅動電路的控制晶片， 按照模塊劃分，該柵驅動晶片一般可分為控制邏輯模塊31、低壓側驅動模塊32、電平轉移 (level-shift)模塊33和高壓側驅動模塊34，控制邏輯模塊31的主要功能就是產生控制 信號控制低壓側驅動模塊32和電平轉移模塊33等，控制邏輯模塊31的第一信號輸出埠 與低壓側驅動模塊32的信號輸入埠相連接，低壓側驅動模塊32的驅動信號輸出埠連 接到第二功率器件20的信號控制埠，利用輸出的驅動信號LO控制第二功率器件20的開 關狀態，控制邏輯模塊31的第二信號輸出埠與電平轉移模塊33的信號輸入埠相連接， 電平轉移模塊33的信號輸出埠與高壓側驅動模塊34的信號輸入埠相連接，高壓側驅 動模塊34的驅動信號輸出埠連接到第一功率器件10的信號控制埠，利用輸出的驅動 信號HO控制第一功率器件10的開關狀態。其中，第一功率器件10和第二功率器件20可 以是功率MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FieldEffect Transistor，金屬氧化物半導 體場效應電晶體)，功率MOSFET管的柵極為信號控制埠，也可以採用其它類型的功率器 件，如IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型電晶體)、晶閘管等，其中 將IGBT的柵極作為信號控制埠，將晶閘管的門極作為信號控制埠。在現有應用中，通常是採用單晶片集成方法將控制邏輯模塊、低壓側驅動模塊、電 平轉移模塊和高壓側驅動模塊這四個模塊集成在一個集成電路中，一方面，採用這種單芯 片集成方法集成多個模塊實現柵極驅動晶片極不利於生產控制；另一方面，在生產製造柵 極驅動晶片時需要將高壓隔離製造工藝集成到普通CMOS工藝中進行生產，採用高壓隔離 製造工藝的目的是為了將高壓側驅動模塊與控制邏輯模塊、低壓側驅動模塊隔離開，由於 普通CMOS工藝集成高壓隔離製造工藝流程複雜，該工藝為了耐高壓，能夠達到的特徵尺寸 較大，原來只需小特徵尺寸的部分也必須採用大特徵尺寸，使製造得到的柵極驅動晶片的 特徵尺寸較大，從而導致了相同功能的柵極驅動晶片佔用面積太大，同時提高了單個晶片 的生產成本；此外，由於採用單晶片集成方法實現的柵極驅動晶片的面積較大，這樣不利於 設計功能複雜的晶片，這是因為採用這種柵極驅動晶片設計功能複雜的晶片的面積將會很 大，可能沒法封裝，同時會導致工藝條件複雜，工藝條件複雜、晶片面積過大都會導致生產 良率較低，間接增加晶片成本。發明內容本實用新型所要解決的技術問題是提供一種面積較小，不需要集成高壓隔離製造 工藝，成本較低，且有利於設計出性能更加複雜的電路或晶片的用於控制橋式驅動電路的 柵極驅動電路。本實用新型解決上述技術問題所採用的技術方案為一種用於控制橋式驅動電路 的柵極驅動電路，包括採用CMOS工藝生產的低壓側控制晶片和高壓側控制晶片、採用高壓 隔離製造工藝生產的電平轉移晶片，所述的低壓側控制晶片主要由控制邏輯模塊和低壓側 驅動模塊集成，所述的控制邏輯模塊的第一信號輸出埠與所述的低壓側驅動模塊的信號 輸入埠相連接，所述的電平轉移晶片主要由電平轉移模塊集成，所述的高壓側控制晶片 主要由高壓側驅動模塊集成，所述的低壓側控制晶片具有一個與所述的低壓側驅動模塊的 低壓側驅動信號輸出埠相連接的低壓側驅動信號輸出引腳和一組與所述的控制邏輯模 塊的第二信號輸出埠相連接的輸出信號控制引腳，所述的電平轉移晶片具有一組與所述 的電平轉移模塊的信號輸入埠相連接的輸入信號控制引腳和一組與所述的電平轉移模 塊的信號輸出埠相連接的輸出信號控制引腳，所述的高壓側控制晶片具有一組與所述的 高壓側驅動模塊的信號輸入埠相連接的輸入信號控制引腳和一個與所述的高壓側驅動 模塊的高壓側驅動信號輸出埠相連接的高壓側驅動信號輸出引腳，所述的低壓側控制芯 片的低壓側驅動信號輸出引腳用於連接橋式驅動電路中的低壓側的功率器件的信號控制 埠，所述的低壓側控制晶片的輸出信號控制引腳與所述的電平轉移晶片的輸入信號控制 引腳相連接，所述的電平轉移晶片的輸出信號控制引腳與所述的高壓側控制晶片的輸入信 號控制引腳相連接，所述的高壓側控制晶片的高壓側驅動信號輸出引腳用於連接橋式驅動 電路中的高壓側的功率器件的信號控制埠。所述的電平轉移晶片的輸入信號控制引腳和所述的電平轉移晶片的輸出信號控 制引腳之間承受的高壓範圍為400 1000V。所述的電平轉移模塊包括至少一個耐高壓的LDMOS管，所述的LDMOS管的柵極作 為所述的電平轉移模塊的信號輸入埠，所述的LDMOS管的漏極作為所述的電平轉移模塊 的信號輸出埠。與現有技術相比，本實用新型的優點在於將集成控制邏輯模塊、低壓側驅動模塊、 電平轉移模塊和高壓側驅動模塊的單晶片分成低壓側控制晶片、電平轉移晶片和高壓側控 制晶片來實現，採用複雜的高壓隔離製造工藝技術只生產電平轉移模塊，而對於控制邏輯 模塊、低壓側驅動模塊和高壓側驅動模塊則採用普通的CMOS工藝進行生產，而無需採用在 普通的CMOS工藝中集成高壓隔離製造工藝生產各個晶片，將三個晶片連接成一整體構成 柵極驅動電路，實現了柵極驅動功能，一方面由於採用複雜的高壓隔離製造工藝技術只生 產了一個很小的電平轉移模塊，而電平轉移模塊的線路結構較為簡單，因此相對集成所有 模塊的單個晶片來說電平轉移晶片的面積很小，使電平轉移晶片的生產加工過程更加容易 控制，更有利於提高良率，另一方面由於採用普通的CMOS工藝生產控制邏輯模塊、低壓側 驅動模塊和高壓側驅動模塊，普通CMOS工藝的工藝條件簡單、技術成熟、特徵線條較小，能 夠有效保證具有很高的良率，且節省成本。本實用新型的這種柵極驅動電路可封裝成一個 集成電路，與現有的柵極驅動晶片相比，有效降低了生產工藝的複雜程度，減少了晶片面積，降低了生產成本，且有利於設計出性能更加複雜的電路，有利於複雜工藝的生產控制和
良率提高。

圖1為典型的半橋驅動電路的原理圖；圖2為本實用新型的柵極驅動電路的連接示意圖；圖3為電平轉移模塊中的LDMOS管的埠示意圖；圖4為柵極驅動晶片或電路輸出的用於驅動低壓側的功率器件的驅動信號的波 形和用於驅動高壓側的功率器件的驅動信號的波形示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖實施例對本實用新型作進一步詳細描述。如圖2所示，一種用於控制橋式驅動電路的柵極驅動電路，包括採用普通CMOS工 藝生產的低壓側控制晶片60和高壓側控制晶片80、採用高壓隔離製造工藝生產的電平轉 移晶片70，低壓側控制晶片60主要由控制邏輯模塊605和低壓側驅動模塊606集成，控制 邏輯模塊605的第一信號輸出埠與低壓側驅動模塊606的信號輸入埠相連接，電平轉 移晶片70主要由電平轉移模塊705集成，高壓側控制晶片80主要由高壓側驅動模塊805 集成，低壓側控制晶片60具有一個與低壓側驅動模塊606的低壓側驅動信號輸出埠相 連接的低壓側驅動信號輸出引腳601和一組與控制邏輯模塊605的第二信號輸出埠相連 接的輸出信號控制引腳602，電平轉移晶片70具有一組與電平轉移模塊705的信號輸入端 口相連接的輸入信號控制引腳701和一組與電平轉移模塊705的信號輸出埠相連接的 輸出信號控制引腳702，高壓側控制晶片80具有一組與高壓側驅動模塊805的信號輸入端 口相連接的輸入信號控制引腳801和一個與高壓側驅動模塊805的高壓側驅動信號輸出端 口相連接的高壓側驅動信號輸出引腳802，低壓側控制晶片60的低壓側驅動信號輸出引腳 601在應用中通過金屬導線與橋式驅動電路中的低壓側的功率器件50的信號控制埠相 連接，為低壓側的功率器件提供低壓側的驅動信號L0，低壓側控制晶片60的輸出信號控制 引腳602通過金屬導線與電平轉移晶片70的輸入信號控制引腳701相連接，電平轉移晶片 70的輸出信號控制引腳702通過金屬導線與高壓側控制晶片80的輸入信號控制引腳801 相連接，高壓側控制晶片80的高壓側驅動信號輸出引腳802在應用中通過金屬導線與橋式 驅動電路中的高壓側的功率器件40的信號控制埠相連接，為高壓側的功率器件提供高 壓側的驅動信號H0。在此，低壓側控制晶片60的低壓側驅動信號輸出引腳601輸出的低壓 側的驅動信號LO和高壓側控制晶片80的高壓側驅動信號輸出引腳802輸出的高壓側的驅 動信號HO之間存在關聯關係，低壓側的驅動信號LO和高壓側的驅動信號HO形成典型的柵 極驅動晶片或電路的輸出波形，如圖4所示，低壓側的驅動信號LO和高壓側的驅動信號HO 在正常工作後交替出現高電平，在兩者的高電平之間存在一個兩者同為低電平的死區時間 DT(DeadTime)。在此具體實施例中，電平轉移模塊705包括一個或多個耐高壓的 LDMOS (LateralDouble Diffused Metal Oxide Semiconductor)管，LDMOS 管的三個埠 的示意圖如圖3所示，LDMOS管的柵極作為電平轉移模塊705的信號輸入埠，LDMOS管的漏極作為電平轉移模塊705的信號輸出埠，LDMOS管的柵極G和漏極D之間、漏極D和源 極S之間都能承受400 1000V的高壓，因此電平轉移晶片70的輸入信號控制引腳701與 電平轉移晶片70的輸出信號控制引腳702之間能承受400 1000V的高壓。實際設計過 程中，電平轉移模塊705 —般由一個或者兩個LDMOS管組成，由兩個LDMOS管組成時，兩個 LDMOS管的源極和襯底是連接在一起的，低壓側控制晶片60的兩個輸出信號控制引腳602 輸出的信號分別控制兩個LDMOS管的柵極，兩個LDMOS管的漏極形成兩個信號輸出埠，分 別與電平轉移晶片70的兩個輸出信號控制引腳702相連接。在此具體實施例中，控制邏輯模塊605、低壓側驅動模塊606、高壓側驅動模塊805 均採用現有技術，控制邏輯模塊605與低壓側驅動模塊606之間的連接關係也採用現有技 術。在此具體實施例中，低壓側的功率器件50和高壓側的功率器件40均採用現有技 術，如可採用金屬氧化物半導體場效應電晶體、絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)、晶閘管等功率 器件，採用金屬氧化物半導體場效應電晶體時，其柵極為信號控制埠 ；採用絕緣柵雙極型 電晶體(IGBT)時，其柵極為信號控制埠 ；採用晶閘管時，其門極為信號控制埠。在實際應用本實用新型的柵極驅動電路時，可通過多晶片封裝單個集成電路的方 式將該柵極驅動電路封裝成一個集成電路；也可通過多晶片組裝成厚膜電路；還可以將本 實用新型的柵極驅動電路中的低壓側控制晶片、電平轉移晶片和高壓側控制晶片直接焊接 在PCB板上形成一個整體完成柵驅動的功能。
權利要求一種用於控制橋式驅動電路的柵極驅動電路，其特徵在於包括採用CMOS工藝生產的低壓側控制晶片和高壓側控制晶片、採用高壓隔離製造工藝生產的電平轉移晶片，所述的低壓側控制晶片主要由控制邏輯模塊和低壓側驅動模塊集成，所述的控制邏輯模塊的第一信號輸出埠與所述的低壓側驅動模塊的信號輸入埠相連接，所述的電平轉移晶片主要由電平轉移模塊集成，所述的高壓側控制晶片主要由高壓側驅動模塊集成，所述的低壓側控制晶片具有一個與所述的低壓側驅動模塊的低壓側驅動信號輸出埠相連接的低壓側驅動信號輸出引腳和一組與所述的控制邏輯模塊的第二信號輸出埠相連接的輸出信號控制引腳，所述的電平轉移晶片具有一組與所述的電平轉移模塊的信號輸入埠相連接的輸入信號控制引腳和一組與所述的電平轉移模塊的信號輸出埠相連接的輸出信號控制引腳，所述的高壓側控制晶片具有一組與所述的高壓側驅動模塊的信號輸入埠相連接的輸入信號控制引腳和一個與所述的高壓側驅動模塊的高壓側驅動信號輸出埠相連接的高壓側驅動信號輸出引腳，所述的低壓側控制晶片的低壓側驅動信號輸出引腳用於連接橋式驅動電路中的低壓側的功率器件的信號控制埠，所述的低壓側控制晶片的輸出信號控制引腳與所述的電平轉移晶片的輸入信號控制引腳相連接，所述的電平轉移晶片的輸出信號控制引腳與所述的高壓側控制晶片的輸入信號控制引腳相連接，所述的高壓側控制晶片的高壓側驅動信號輸出引腳用於連接橋式驅動電路中的高壓側的功率器件的信號控制埠。
2.根據權利要求1所述的一種用於控制橋式驅動電路的柵極驅動電路，其特徵在於所 述的電平轉移晶片的輸入信號控制引腳和所述的電平轉移晶片的輸出信號控制引腳之間 承受的高壓範圍為400 1000V。
3.根據權利要求2所述的一種用於控制橋式驅動電路的柵極驅動電路，其特徵在於所 述的電平轉移模塊包括至少一個耐高壓的LDMOS管，所述的LDMOS管的柵極作為所述的電 平轉移模塊的信號輸入埠，所述的LDMOS管的漏極作為所述的電平轉移模塊的信號輸出 端□。
專利摘要本實用新型公開了一種用於控制橋式驅動電路的柵極驅動電路，包括採用CMOS工藝生產的低壓側控制晶片和高壓側控制晶片、採用高壓隔離製造工藝生產的電平轉移晶片，低壓側控制晶片主要由控制邏輯模塊和低壓側驅動模塊集成，電平轉移晶片主要由電平轉移模塊集成，高壓側控制晶片主要由高壓側驅動模塊集成，優點在於將集成所有模塊的單晶片分成三個晶片來實現，採用高壓隔離製造工藝技術只生產電平轉移模塊，而對於控制邏輯模塊、低壓側驅動模塊和高壓側驅動模塊則採用CMOS工藝生產，將該柵極驅動電路封裝成一個集成電路，與現有的柵極驅動晶片相比，降低了生產工藝的複雜程度，減少了晶片面積，降低了生產成本，且有利於設計出性能更加複雜的電路。
文檔編號H03K17/687GK201699675SQ20102025300
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月2日 優先權日2010年7月2日
發明者姚海霆 申請人:日銀Imp微電子有限公司