半桥驱动是典型的高压电路,而且上管是典型的浮管,高压浮管驱动需要低压控制,则通常需要电平移位技术。
电平移位,即我们在驱动IC里常见的“Level Shift”,其目的是通过电平移位电路将低压控制信号转换为高压控制信号,实现低压逻辑对高压功率输出级的控制,属于高压器件的控制技术领域。若以系统的参考地GND为0电平,常规的电平移位电路是将0~VDD(VDD为普通电平,也是低压供电电压)低电压控制信号转换为0~VB(VB为高压电平,这个电平是VS+VDD,上管开通则VS=VBUS,VBUS是母线电压)的高电压控制信号,用于驱动高压下工作的输出级PMOS管等。在该情况下,输出级PMOS管的最大栅-源电压为VB,为保证可靠性,必须使晶体管能够承受VB的高电压,通常采用增加栅氧厚度等一些复杂的工艺解决。
电平移位电路作为连接控制电路和输出驱动级的关键电路,一方面要求有很高的驱动能力,满足输出级的驱动要求;另一方面电平移位电路也是高电压工作,要求有比较低的静态电流,
从而降低功耗。
另一种传统的电平移位电路则更加简易,电路上也容易实现,在输出级PMOS上做了相应的保护措施,以防止栅-源间的栅氧化层击穿。该电路的缺点是,前级驱动PWM是一个持续的脉宽信号,当PWM为高电平时,LDMOS会持续通过电流,因此功耗较大,从图中可以看出,当上管开通时,VS=VBUS,则VB=VBUS+VDD。
为了解决功耗问题,采用边沿触发以减小导通时间,边沿脉冲是取自PWM信号的上升沿和下降沿来驱动前级的LDMOS,这样就大大减小了LDMOS的导通时间,极大地改善功耗问题,边沿脉冲信号通过RS触发器在后级还原为前级的PWM信号,目前的多数半桥驱动芯片均采用了这种技术。
特点:电平移位型驱动IC是非隔离型驱动IC,低压控制信号和热地或高压地相连接,共同参考GND,但其传输延时小,需要加光耦等隔离器件才能实现安全电气隔离。
电平移位技术主要是驱动半桥的浮动上管,这类电路以集成芯片IC存在,半桥驱动IC将低边和高边集成在一个IC中,高边驱动通过电平移位技术实现高压电平转换,从而驱动上管,栅极驱动器主要用于高边驱动(High -side)或者高低边(High-side and Low-side)一体驱动,高边需要自举电路来给高边开关管提供驱动功率,自举电路包含了反向截止的高压二极管以及存储电荷的自举电容。
如下是一种高边和低边一体的驱动IC,组成最简单的驱动电路包括了自举电路,可以看出当下管开通时,VCC通过自举二极管给自举电容充电,以形成浮动上管的驱动电源,自举电路其本质是通过开关方式将电荷转移到另外一个电容里面,使得电容作为供电电源。
如下是单一的高边驱动IC,高边驱动则必须附加自举电路。
如下图是高低边驱动的功能原理框图,可以看出下管是简单的对地驱动电路,上管驱动部分则是边沿脉冲式电平移位电路,而且中间增加了脉冲滤波电路(PULSE FILTER),增强抗干扰能力。
如下是另一种半桥驱动IC,输入控制信号只有一路IN,半桥中的上管和下管通过IC中自带的死区电路避免上管和下管直通问题,上管驱动依然边沿脉冲是电平移位实现上管驱动。
独立的高边驱动,如英飞凌的IRS10752(原属于国际整流器-IR),这里不再列出,可自行查看,以上驱动及内部框图来自英飞凌某些型号的驱动数据手册;目前这类驱动芯片已出现国产替代品,如 屹晶微的EG系列上海瞻芯电子、数明半导体等。