CN115313819B - 一种集成两种自举电路的高压集成电路及半导体电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成两种自举电路的高压集成电路及半导体电路，高压集成电路内部设置有高侧驱动电路、低侧驱动电路和自举电路，其中自举电路包括第一自举单元、第二自举单元和开关切换单元，第一自举单元基于电阻串联二极管构成，第二自举单元基于开关管构成，开关切换单元通过外部控制信号控制第一自举单元和第二自举单元的其中一个用于为高侧驱动电路中的一路上桥臂驱动信号提供浮动电源，另外一个输出至外部电路。以此可以通过控制开关切换单元控制第二自举单元接通组成自举电路，从而保证了不会对自举电容进行充电，以此能明显的降低高压集成电路的待机功耗。

Description

一种集成两种自举电路的高压集成电路及半导体电路

技术领域

本发明涉及一种集成两种自举电路的高压集成电路及半导体电路，属于半导体电路应用技术领域。

背景技术

高压集成电路，即HVIC，是一种把MCU信号转换成驱动逆变电路的集成电路产品。HVIC把PMOS管、NMOS管、三极管、二极管、稳压管、电阻、电容集成在一起，形成多个驱动电路。HVIC一方面接收MCU的控制信号，驱动后续逆变电路的开关管如IGBT或MOS工作，另一方面将系统的状态检测信号送回MCU，是半导体电路内部的关键芯片，高压集成电路内部有的集成自举电路，集成的自举电路一般为电阻串联二极管的构成方式，通过外接的电容构成自举电路，其工作原理为在高压集成电路输出驱动逆变电路的下桥臂开关管导通时，低压直流电通过电阻和二极管对电容充电，也即在高压集成电路工作时对电容进行充电，在高压集成电路不工作时，电容上的充电电荷会产生一定的功耗，从而增加了半导体电路的待机功耗。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是解决现有的高压集成电路内部内部集成的为自举电路带来待机功耗增加的问题。

具体地，本发明公开一种集成两种自举电路的高压集成电路，高压集成电路内部设置有高侧驱动电路和低侧驱动电路，高侧驱动电路用于驱动外部逆变器的上桥臂开关管，低侧驱动电路用于驱动外部逆变器的下桥臂开关管，高侧驱动电路内部设置有自举电路，自举电路包括：

第一自举单元，第一自举单元基于电阻串联二极管构成；

第二自举单元，第二自举单元基于开关管构成；

开关切换单元，开关切换单元包括两路可控开关单元，两路可控开关单元分别具有两个输入端，两个输入端分别连接第一自举单元的输出端和第二自举单元的输出端；

开关切换单元通过外部控制信号控制第一自举单元和第二自举单元的其中一个用于为高侧驱动电路中的一路上桥臂驱动信号提供浮动电源，另外一个输出至外部电路。

可选地，控制开关切换单元的外部控制信号为高压集成电路的使能控制信号。

可选地，第二自举单元的受控信号为与上桥臂驱动信号对应的下桥臂驱动信号。

可选地，开关切换单元包括第一可控开关单元和第二可控开关单元，第一可控开关单元和第二可控开关单元分别包括两路输入端，以分别连接第一自举单元的输出端和第二自举单元的输出端，第一可控开关单元的输出端为用于外部电路的输出端，第二可控开关单元的输出端为用于高侧驱动电路的输出端，第一可控开关单元的控制端和第二可控开关单元的控制端同时连接使能控制信号。

可选地，第一可控开关单元包括第二NMOS管、第三NMOS管和第一非门；

其中第二NMOS管的漏极为第一可控开关单元的第一输入端，第二NMOS管的源极、第三NMOS管的源极共接于第一可控开关单元的输出端，第二NMOS管的栅极和第一非门的输入端共接于第一可控开关单元的控制端，第三NMOS管的栅极连接第一非门的输出端。

可选地，第二可控开关单元包括第四NMOS管、第五NMOS管和第二非门；

其中第四NMOS管的漏极为第二可控开关单元的第一输入端，第四NMOS管的源极、第五NMOS管的源极共接于第二可控开关单元的输出端，第四NMOS管的栅极连接第二非门的输出端，第五NMOS管的栅极和第二非门的输入端共接于第二可控开关单元的控制端。

可选地，高压集成电路还包括施密特触发模块，施密特触发模块串联于高压集成电路的各个输入信号的端口。

可选地，高压集成电路还包括与施密特触发模块对应的滤波模块，滤波模块串联于施密特触发模块之后。

可选地，高压集成电路还包括与滤波模块对应的电压转换模块，电压转换模块串联于滤波模块之后。

本发明还提出一种半导体电路，半导体电路内部设置有逆变模块，以及上述的高压集成电路，高压集成电路输出端连接逆变模块。

本发明的高压集成电路，内部设置有高侧驱动电路、低侧驱动电路和自举电路，其中自举电路包括第一自举单元、第二自举单元和开关切换单元，第一自举单元基于电阻串联二极管构成，第二自举单元基于开关管构成，开关切换单元通过外部控制信号控制第一自举单元和第二自举单元的其中一个用于为高侧驱动电路中的一路上桥臂驱动信号提供浮动电源，另外一个输出至外部电路。以此可以通过控制开关切换单元控制第二自举单元接通组成自举电路，从而保证了不会对自举电容进行充电，以此能明显的降低高压集成电路的待机功耗。

附图说明

图1为本发明实施例的高压集成电路的电路简化框图；

图2为本发明实施例的高压集成电路的简化电路原理图；

图3为本发明实施例的高压集成电路的自举电路的简化电路原理图；

图4为本发明实施例的自举电路中基于电阻和二极管的第一自举单元应用为自举电路的电路原理图；

图5为为本发明实施例的自举电路中基于开关管的第二自举单元应用为自举电路的电路原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在结构或功能不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面根据实例来详细说明本发明。

本发明提到的半导体电路，是一种将功率开关器件和高压驱动电路等集成在一起，并在外表进行密封封装的一种电路模块，在电力电子领域应用广泛，如驱动电机的变频器、各种逆变电压、变频调速、冶金机械、电力牵引、变频家电等领域应用。这里的半导体电路还有多种其他的名称，如模块化智能功率系统(Modular Intelligent Power System，MIPS)、智能功率模块(Intelligent Power Module，IPM)，或者称为混合集成电路、功率半导体模块、功率模块等名称。

本发明提出一种集成两种自举电路130的高压集成电路100，如图1至图5所示，高压集成电路100内部设置有高侧驱动电路和低侧驱动电路，高侧驱动电路用于驱动外部逆变器的上桥臂开关管，低侧驱动电路用于驱动外部逆变器的下桥臂开关管，高侧驱动电路内部设置有自举电路130，该自举电路130包括第一自举单元131、第二自举单元132和开关切换单元133，其中第一自举单元131基于电阻串联二极管构成，第二自举单元132基于开关管构成，开关切换单元133包括两路可控开关单元，两路可控开关单元分别具有两个输入端，两个输入端分别连接第一自举单元131的输出端和第二自举单元132的输出端，开关切换单元133通过外部控制信号控制第一自举单元131和第二自举单元132的其中一个用于为高侧驱动电路中的一路上桥臂驱动信号提供浮动电源，另外一个输出至外部电路。

通过背景技术介绍可知，第一自举单元131基于电阻和二极管组成的自举电路130，在高压集成电路100不工作时，自举电容仍然积蓄有电荷，导致消耗一定的电能，从而加增了高压集成电路100的待机功耗，而第二自举单元132基于开关管构成的，其开关管的开关状态是可控的，以此可通过控制高压集成电路100不工作时，同步控制开关管关闭，从而保证了不会对自举电容进行充电，以此能明显的降低高压集成电路100的待机功耗。

值得说明的是，虽然基于电阻和二极管组成的第一自举单元131会增加功耗，但属于二极管直通充电方式，因此充电时间快，自举效果好，而基于开关管构成的第二自举单元132，其充电需要开关管可控开通，因此开关管的开关速度影响到充电的速度，而且开关管导通电阻相对较大，因此充电时间相对较长，自举的效果相对较差。本发明的高压集成电路100，通过同时设置这两种自举电路130，并通过开关切换单元133可选择其中的一种自举电路130工作，因此可适应具体的应用场景的具体需求而定，如需要降低待机功耗则选通第二开关单元，需要充电速度快则选通第一开关单元，从而灵活满足具体应用需求，而且在选通其中一个自举单元时，另一个自举单元还可以用于外部电路的做为自举电路来使用，从而更进一步扩展了集成电路的使用场景。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，控制开关切换单元133的外部控制信号为高压集成电路100的使能控制信号EN，如此，无需在高压集成电路100正极额外的控制端口，复用使能控制信号EN。从而节约高压集成电路100的端口资源。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，第二自举单元132的受控信号为与上桥臂驱动信号对应的下桥臂驱动信号LO，如此使得在下桥臂驱动信号为有效信号如高电平时，对应驱动的逆变电路的下桥臂开关管导通，此时下桥臂驱动信号同时控制第二自举单元132的开关管导通，从而同步实现第二自举单元132对自举电容的充电，而在下桥臂驱动信号为无效信号如低电平时，对应的逆变电路的下桥臂开关管关闭，以此关闭了对自举电容的充电回路，从而自举电容不会充电，以此实现了在高压集成电路100不工作即下桥臂驱动信号为无效时，自举电容不会充电，从而降低了高压集成电路100的待机功耗。值得说明的是，图2中示出为其中一路的上下桥臂驱动电路，其他两路是相同，因此一些输入端口和输出端口的命名增加多个数字，如上桥臂控制信号HIN1/2/3分别代表第一上桥臂控制信号HIN1至第三上桥臂控制信号HIN3，下桥臂控制信号LI1/2/3分别代表第一下桥臂控制信号LIN1至第三下桥臂控制信号LIN3。上桥臂驱动信号HO1/2/3分别代表第一上桥臂驱动信号HO1至第三上桥臂驱动信号HO3等等。

在本发明的一些实施例中，如图3所示，做为开关切换单元133的一种可实现方式，开关切换单元133包括第一可控开关单元1331和第二可控开关单元1332，第一可控开关单元1331和第二可控开关单元1332分别包括两路输入端，以分别连接第一自举单元131的输出端和第二自举单元132的输出端，第一可控开关单元1331的输出端为用于外部电路的输出端如图3中的VB1-1，第二可控开关单元1332的输出端为用于高侧驱动电路的输出端如图3中的VB1，第一可控开关单元1331的控制端和第二可控开关单元1332的控制端同时连接使能控制信号EN。通过使能控制信号EN的状态控制第一可控开关单元1331和第二可控开关单元1332中其中一个连通第一自举单元131的输出端，另一个连通第二自举单元132的输出端。以此实现两种自举电路130的可控选通输出。

具体地，如图3所示，第一可控开关单元1331包括第二NMOS管Q2、第三NMOS管Q3和第一非门IC1；其中第二NMOS管Q2的漏极为第一可控开关单元1331的第一输入端，第二NMOS管Q2的源极、第三NMOS管Q3的源极共接于第一可控开关单元1331的输出端，第二NMOS管Q2的栅极和第一非门IC1的输入端共接于第一可控开关单元1331的控制端，第三NMOS管Q3的栅极连接第一非门IC1的输出端。

第二可控开关单元1332包括第四NMOS管Q4、第五NMOS管Q5和第二非门IC2；其中第四NMOS管Q4的漏极为第二可控开关单元1332的第一输入端，第四NMOS管Q4的源极、第五NMOS管Q5的源极共接于第二可控开关单元1332的输出端，第四NMOS管Q4的栅极连接第二非门IC2的输出端，第五NMOS管Q5的栅极和第二非门IC2的输入端共接于第二可控开关单元1332的控制端。

上述电路的工作原理如下：在使能信号EN为高电平时，第一非门IC1输出低电平，使得第三NMOS管Q3关断，第二NMOS管Q2导通，此时基于电阻R1和二极管D1组成的第一自举单元131经第二NMOS管Q2输出至对外部电路供电的VB1-1端口；同时第二非门IC2输出低电平，使得第四NMOS管Q4关断，第五NMOS管Q5导通，此时基于开关管第一NMOS管Q1的第二自举单元132经第五NMOS管Q5输出，以用于高侧驱动电路中的一路上桥臂驱动信号输出端口提供浮动电源的输出端口VB1。

而在使能信号EN为低电平时，第一非门IC1输出高电平，使得第三NMOS管Q3导通，第二NMOS管Q2关断，此时基于开关管第一NMOS管Q1的第二自举单元132经第三NMOS管Q3输出至对外部电路供电的VB1-1端口；同时第二非门IC2输出高电平，使得第四NMOS管Q4导通，第五NMOS管Q5关断，此时基于电阻R1和二极管D1组成的第一自举单元131经第四NMOS管Q4输出至用于高侧驱动电路中的一路上桥臂驱动信号输出端口，提供浮动电源的输出端口VB1。

进一步地结合图4所示，当基于电阻和二极管组成的第一自举单元131经输出端口VB1和外部自举电容组成自举电路130时，此时电阻R1为限流电阻，和二极管D1自举电容C1构成完整的自举电路，自举电容C1两端的电压为高侧驱动信号输出端HO1/2/3提供驱动电源，以驱动加载高电压(310V)的逆变电路的上桥臂IGBT管Q9导通。当对应的低侧驱动信号LO1/2/3输出高电平时，逆变电路的下桥臂IGBT管Q10导通，此时，低压直流电VCC经电阻R1、二极管D1、C1和下桥臂IGBT管Q10构成电流回路对自举电容C1充电(如图4中虚线所示)，使得自举电容C1上的电压充到接近低压直流电VCC电压。而在低侧驱动信号LO1/2/3输出低电平时，自举电容C1停止充电。接着在高侧驱动信号输出端HO1/2/3输出高电平时，上桥臂NMOS管Q8导通，使得自举电容C1的一端即VS1/2/3端上升到高电压(310V)，由于自举电容C1的两端电压不能突变，使得其另一端电压随之抬升至高电压+低压直流电即310+VCC，二极管D1截止，而自举电容C1经与高侧驱动信号连接的导通的上桥臂关管Q8对逆变电路的上桥臂IGBT管Q9的栅极放电，使得上桥臂IGBT管Q9的栅极电压相对其发射极高出VCC电压，因此可以控制上桥臂IGBT管Q9导通。

进一步地结合图5所示，当基于开关管即第一NMOS管Q3的第二自举单元132经输出端口VB1/2/3和外部自举电容组成自举电路130时，此时第一NMOS管Q3和自举电容C1构成完整的自举电路130，自举电容C1两端的电压为高侧驱动信号输出端HO1/2/3提供驱动电源，以驱动加载高电压(310V)的逆变电路的上桥臂IGBT管Q9导通。当对应的低侧驱动信号LO1/2/3输出高电平时，逆变电路的下桥臂IGBT管Q10导通，同时低侧驱动信号LO1/2/3的高电平也控制第一NMOS管Q3导通，使得低压直流电VCC经第一NMOS管Q3、C1和下桥臂IGBT管Q10构成电流回路对自举电容C1充电(如图5中虚线所示)，使得自举电容C1上的电压充到接近低压直流电VCC电压。而在低侧驱动信号LO1/2/3输出低电平时，第一NMOS管Q3和下桥臂IGBT管Q10关断，自举电容C1停止充电。接着在高侧驱动信号输出端HO1/2/3输出高电平时，上桥臂NMOS管Q8导通，使得自举电容C1的一端即VS1端上升到高电压(310V)，由于自举电容C1的两端电压不能突变，使得其另一端电压随之抬升至高电压+低压直流电即310+VCC，而自举电容C1经与高侧驱动信号连接的导通的上桥臂开关管Q8对逆变电路的上桥臂IGBT管Q9的栅极放电，使得使得上桥臂IGBT管Q9的栅极电压相对其发射极高出VCC电压，因此可以控制上桥臂IGBT管Q9导通。

值得说明的是，上述图4和图5中，省却了自举电路130中的开关切换单元133内部电路，从基于电阻和二极管组成的第一自举单元131或者基于开关管即第一NMOS管Q3的第二自举单元132直接连接到上桥臂NMOS管Q8，中间应该连接开关切换单元133电路，在图4和图5中为了查看自举电路的方波省却没有布置。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，高压集成电路100还包括施密特触发模块，施密特触发模块串联于高压集成电路100各个输入信号端口，起到对输入信号的电平噪声进行过滤，如其逻辑0的最大值是0.8V，逻辑1的最小值是2.9V，以此有效的过滤逻辑0和逻辑1的噪声电压。图2中施密特触发模块共有5个，分别是第一施密特触发模块101至第五施密特触发模块105。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，高压集成电路100还包括滤波模块，滤波模块串联于上述施密特触发模块之后，起到对施密特触发模块输出的高频噪声过滤，如过滤600KHz～700KHz以上的信号。图2中滤波模块共有5个，分别是第一滤波模块111至第五滤波模块115。

在本发明的一些实施例中，如图2所示，高压集成电路100还包括电压转换模块，电压转换模块串联于上述的滤波模块之后。由于高压集成电路100的供电的低压直流电源VCC一般为15V，而接收外部MCU发出的驱动信号如HIN1、LIN1端口的输入信号为5V，必须产生一个7-8V的电压，以匹配后端电路的工作，还需要生产一个5V左右的低压直流电给内部集成正弦波算法的MCU处理器供电。因此第一电压转换模块和第二电压转换模块用于进行电压转换，升压成为较高的低电压(7-8V)，还生成一个低压直流电给内部MCU供电。图2中电压转换模块共有5个，分别是第一电压转换模块121至第五电压转换模块125。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种集成两种自举电路的高压集成电路，所述高压集成电路内部设置有高侧驱动电路和低侧驱动电路，所述高侧驱动电路用于驱动外部逆变器的上桥臂开关管，所述低侧驱动电路用于驱动外部逆变器的下桥臂开关管，其特征在于，所述高侧驱动电路内部设置有自举电路，所述自举电路包括：

第一自举单元，所述第一自举单元基于电阻串联二极管构成；

第二自举单元，所述第二自举单元基于开关管构成；

开关切换单元，所述开关切换单元包括两路可控开关单元，所述两路可控开关单元分别具有两个输入端，所述两个输入端分别连接所述第一自举单元的输出端和所述第二自举单元的输出端；

所述开关切换单元通过外部控制信号控制所述第一自举单元和所述第二自举单元的其中一个用于为所述高侧驱动电路中的一路上桥臂驱动信号提供浮动电源，另外一个输出至外部电路；

控制所述开关切换单元的外部控制信号为所述高压集成电路的使能控制信号；

所述第二自举单元的受控信号为与所述上桥臂驱动信号对应的下桥臂驱动信号。

2.根据权利要求1所述的高压集成电路，其特征在于，所述开关切换单元包括第一可控开关单元和第二可控开关单元，所述第一可控开关单元和第二可控开关单元分别包括两路输入端，以分别连接所述第一自举单元的输出端和所述第二自举单元的输出端，所述第一可控开关单元的输出端为用于外部电路的输出端，所述第二可控开关单元的输出端为用于高侧驱动电路的输出端，所述第一可控开关单元的控制端和第二可控开关单元的控制端同时连接所述使能控制信号。

3.根据权利要求2所述的高压集成电路，其特征在于，所述第一可控开关单元包括第二NMOS管、第三NMOS管和第一非门；

其中所述第二NMOS管的漏极为所述第一可控开关单元的第一输入端，所述第二NMOS管的源极、所述第三NMOS管的源极共接于所述第一可控开关单元的输出端，所述第二NMOS管的栅极和所述第一非门的输入端共接于所述第一可控开关单元的控制端，所述第三NMOS管的栅极连接第一非门的输出端。

4.根据权利要求2所述的高压集成电路，其特征在于，所述第二可控开关单元包括第四NMOS管、第五NMOS管和第二非门；

其中所述第四NMOS管的漏极为所述第二可控开关单元的第一输入端，所述第四NMOS管的源极、所述第五NMOS管的源极共接于所述第二可控开关单元的输出端，所述第四NMOS管的栅极连接第二非门的输出端，所述第五NMOS管的栅极和所述第二非门的输入端共接于所述第二可控开关单元的控制端。

5.根据权利要求1所述的高压集成电路，其特征在于，所述高压集成电路还包括施密特触发模块，所述施密特触发模块串联于所述高压集成电路的各个输入信号的端口。

6.根据权利要求5所述的高压集成电路，其特征在于，所述高压集成电路还包括与所述施密特触发模块对应的滤波模块，所述滤波模块串联于所述施密特触发模块之后。

7.根据权利要求6所述的高压集成电路，其特征在于，所述高压集成电路还包括与所述滤波模块对应的电压转换模块，所述电压转换模块串联于所述滤波模块之后。

8.一种半导体电路，其特征在于，所述半导体电路内部设置有逆变模块，以及如权利要求1至7任意一项所述的高压集成电路，所述高压集成电路输出端连接所述逆变模块。