專利名稱：帶有單引線框的h橋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種直流電機控制電路，更具體地涉及一種用于可控制地驅(qū)動諸如直流(d-c)電機的負載的新穎的H橋驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
控制電路用于驅(qū)動直流電機是眾所周知的。通常采用H橋電路，其包括兩個高端MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)和兩個低端MOSFET，其中每個高端器件與相應(yīng)的低端器件串聯(lián)。每對高端和低端器件之間的節(jié)點(下文分別稱為M1和M2)與電機端子相連接；每個高端器件的漏極與諸如電池的直流電源(下文稱為Vcc)相連接，并且每個低端器件的源極與地(下文稱GND)相連。
控制電路則被提供用來使高端和低端器件導(dǎo)通和截止，以驅(qū)動電流以一定方向通過電機的線圈，從而使電機轉(zhuǎn)子順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。
用于這種電路的MOSFET通常被單獨安裝成為分立的器件；并且對它們進行導(dǎo)電控制的控制電路也被形成為分立的電路或幾個集成電路和分立電路的組合。另外，電路控制還需要復(fù)雜的編程電路。所有這些都增加了控制的復(fù)雜性和成本，并降低了其可靠性。
減少這些電路中的元件數(shù)量、簡化它們的操作、以及消除對編程控制功能的需求是人們所期望的。
發(fā)明的簡要內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明，一種新穎的全保護雙工高端開關(guān)集成電路(IC)配有兩個附加的分立低端開關(guān)。這兩個高端開關(guān)和控制它們操作的控制IC可以包容在單塑料封裝中的一個公共散熱器(heat sink)上，該封裝帶有合適的連接管腳，以用于連接直流源、地、電機端子和微控制器，微控制器用于控制特定的電機操作。還提供了用于RC控制電路的管腳，RC控制電路用于控制軟啟動，其獨立于來自所述微控制器的信號。
該單高端封裝驅(qū)動和控制著整個H橋電路，并包含許多新穎的特征。
為說明的目的，還示出了輸入將在后面說明的兩個高端FET(場效應(yīng)晶體管)驅(qū)動器的輸入信號IN1和IN2，其被加載給兩個高端FET(

圖1)，并且操作用來選擇電機操作模式以及提供每種模式中的控制。首先，提供了新穎的自適應(yīng)擊穿(shoot thru)預(yù)防電路(在截止期間)以防止串聯(lián)連接的(半橋)高端MOSFET和低端MOSFET同時導(dǎo)通。根據(jù)該特征，低端驅(qū)動電路包含在裝有高端器件的集成控制電路中。當(dāng)電路被切斷時，兩個低端FET總是正常導(dǎo)通以鎖閉電機。為了實現(xiàn)切斷，高端MOSFET通過IN1或IN2被截止，IN1或IN2使得與它相應(yīng)的低端FET的低端驅(qū)動電路導(dǎo)通，以使其在較慢的高端MOSFET完全截止之前導(dǎo)通，特別是在其輸出電壓達到或超過某個小值(例如2伏)時。更具體地，為了使高端MOSFET截止，高端FET被截止，并且電路進行等待直到其輸出電壓小于約2伏為止。截止的低端FET隨后被導(dǎo)通以鎖閉電機負載。因此，擊穿保護是在不帶有常規(guī)的空載時間(dead-time)控制電路的情況下被自適應(yīng)地提供的。
其次，提供了在每次電機啟動時可由IN1和IN2信號選擇的新穎的軟啟動序列。軟啟動電路采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)序列，其使得低端開關(guān)中相應(yīng)的一個進行循環(huán)，供應(yīng)給該低端開關(guān)的電流由高端開關(guān)(MOSFET)之一控制。這限制了電機的沖擊電流。軟開關(guān)序列由簡單的RC電路操作(編程)，并在啟動后自動復(fù)位。
第三，該新穎的電路提供了在高端MOSFET封裝中的IC的控制下的過流(短路)和超溫(過載)保護。這些保護功能由高端MOSFET上的電流傳感器和熱傳感器(它們是“IPS”開關(guān))實現(xiàn)，并向所述微控制器提供狀態(tài)反饋以要求關(guān)機(shut-down)。當(dāng)IN1和IN2都為低電平(或零)時，保護電路隨即被復(fù)位。
第四，在單個控制IC中實現(xiàn)了許多其他的功能，這些功能可由信號IN1和IN2聯(lián)合選擇，例如，欠壓鎖閉(lockout)、電機制動、溫度保護和診斷反饋。
附圖的簡要說明圖1的圖示出了本發(fā)明的H橋電路以及由其驅(qū)動的直流電機；圖1A是本發(fā)明新穎的高端驅(qū)動封裝的截面圖；圖1B是封裝的另一個實施方案的截面圖，其中所有4個MOSFET都處在一個單封裝中；圖1C示出了用于排列圖1A的高端MOSFET和IC的優(yōu)選拓撲結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖1D示出了類似于圖1A的截面圖，其中提供了導(dǎo)電的引線框支架；圖2的立體圖示出了圖1中的低端封裝之一；圖3是圖2的俯視圖；圖4是圖1A的封裝的立體圖；圖5是圖4的俯視圖；圖6示出了利用圖2、圖3、圖4和圖5實現(xiàn)的圖1的電路；圖7是圖2的高端封裝的電路圖，包括控制IC和其他控制電路；圖8是與圖6相類似的圖，其示出了用于軟啟動電路的一個具體負載電路和RC定時電路；圖9示出了控制IC中的擊穿保護電路的一部分；圖10示出了軟啟動電路的一部分；圖11示出了用于睡眠模式和RC復(fù)位的邏輯控制的一部分；圖12示出了IC控制中的關(guān)機電路的一部分；圖13到圖18示出了圖1到圖12所示電路的各種操作特征。
附圖的詳細描述參照圖1，其中示出了根據(jù)本發(fā)明制造的一種H橋電路。圖1還示出了被安排用于驅(qū)動直流電機30的本發(fā)明的橋電路，但該新穎的橋電路也可被用于其他的應(yīng)用，例如，用于驅(qū)動線性螺線管和其他負載。
圖1的橋路由第一和第二高端MOS門控(MOSgated)器件31和32組成，它們在圖中被顯示為N溝道垂直導(dǎo)電MOSFET。注意，本發(fā)明可以由其它的MOS門控器件(如IGBT(絕緣柵雙極型晶體管))實現(xiàn)，并且也可以由P溝道器件實現(xiàn)?？梢詫OSFET 31和32安裝成使它們的漏極處在公共的散熱器上，如導(dǎo)電的切片框架墊(diced frame pad)上，或PCB板上的導(dǎo)電跡線(trace)上，并可以如虛線框所示包含在單個封裝33中。在隨后說明的圖4、圖5和圖6中更詳細地示出了封裝33。
圖1的橋還包括兩個低端MOS門控器件40和41。每個MOS門控器件40和41也被顯示為N溝道MOSFET，并且單獨被分別封裝在分立的封裝42和43中(見圖2、圖3和圖6)。
因而，低端MOSFET 42和43可被包容在如圖2、圖3和圖6所示的8引線SOIC(小外形集成電路)封裝中，并且其每一個都可以(例如)國際整流器公司的IRFL 7484型器件，該公司位于加利福尼亞州的E1西貢多(Segundo)，并且是本申請的受讓人。上述的IRFL 7484型器件是一個6.8mΩ、40伏的器件，其額定值(rating)可以根據(jù)需要改變。圖2、圖3和圖6示出了器件42、43(圖6)的管腳外觀(pin-out)，其包括源極S、漏極D和柵極G端子。
含有高端MOSFET 31和32的封裝33在圖4、圖5和圖6中示出，其中示出了封裝外的管腳。下面給出了管腳或引線的定義，其功能將在后文更詳細地描述。
如圖1D所示，器件的源極27和28優(yōu)選地安裝在一個公共導(dǎo)電支架上，例如導(dǎo)電銅或銅合金引線框的主墊(pad)上。如果使用引線框，那么在引線框元件分離之前，上述管腳將與引線框集成在一起。
圖1A示出了在取代了引線框的支撐電路板20上的MOSFET 31和32的另一種可能的支撐結(jié)構(gòu)。板20帶有銅涂層21和22，并且MOSFET 31和32的漏極23和24分別與導(dǎo)電層21電導(dǎo)通連接。在圖1A和1D示出的器件31和32的源極27和28分別與突出到絕緣罩殼33的邊界之外的端子M1和M2相連接。MOSFET 31和32的源極27和28分別與外部接地管腳GND相連接。MOSFET的選通控制(gate control)電極隨后通過引線接合(wirebonding)被連接到合適的控制IC上，該控制IC被支撐在板20上，并將隨后描述。該控制IC可通過絕緣管芯連接介質(zhì)安裝到層21(或圖1D中的導(dǎo)電引線架)上。
圖1B示出了對圖1A和圖1D的改進，其中，低端MOSFET 40和41被分別安裝在MOSFET 31和32的頂上，它們的漏極與MOSFET的31和32的源極粘合連接并電連接。因而，整個驅(qū)動器被包容在圖1B所示的單個封裝中。注意，圖1B中的結(jié)構(gòu)可與圖1D中的引線框支架一起使用。
圖1C示出了MOSFET 31和32以及控制IC的結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)選實施方案的俯視圖。
如隨后將描述的圖1和圖6的電路是受到完全保護的雙工高端開關(guān)，其特征整個H橋電路的控制。該保護電路可以與兩個低端MOSFET 40和41一起集成進封裝33?？梢韵拗浦绷麟姍C負載30的浪涌電流，并且可以在制動模式下以兩個方向驅(qū)動電機30而無需外部電源管理。如后文所述，還可提供電流保護(短路)和由于過載而造成的溫度響應(yīng)關(guān)機。
高端開關(guān)31和32提供方向能力和H橋保護。作為控制功能的一個示例，所示的MOSFET 31、32、40和41的導(dǎo)通/截止?fàn)顟B(tài)使電機按照圖1中的箭頭50的方向旋轉(zhuǎn)。通過提供高頻開關(guān)能力，低端MOSFET 40和41為電路帶來了靈活性。因此，如后文所述，可以通過平緩低應(yīng)力速度斜坡上升(ramp up)來避免電機的硬啟動。
在描述處理睡眠模式、擊穿保護、軟啟動和熱保護的控制電路之前，理解MOSFET 31、32、40和41的導(dǎo)通和截止順序是有益的。
通過下面的電機30的6種不同控制模式的真值表可以更好地理解這種操作。
在上表中，后文將示出，在“睡眠模式”下，所有的保護電路被復(fù)位；并且MOSFET 40在反向旋轉(zhuǎn)(“正常模式”和“保護觸發(fā)”)中被顯示為“導(dǎo)通”時，該低端部分正在切換。
注意，在睡眠模式(電機制動開啟)中，兩個低端器件都應(yīng)是“導(dǎo)通”的，但提供了最小電流消耗的新穎的控制電路以用于使它們保持在這種狀態(tài)。
圖7是電路的方框圖，其包括含在封裝33中的控制電路。因此，MOSFET31和32被分別提供了相應(yīng)的擊穿保護電路61和62以及過流關(guān)機(shut-down)電路63和64。提供了邏輯控制和狀態(tài)反饋電路65以控制過流和擊穿保護電路。最后，提供了由振蕩器70、相對于從管腳VRC獲得的基準(zhǔn)電壓進行切換的比較器71、以及軟啟動復(fù)位開關(guān)72組成的軟啟動控制電路，該軟啟動控制電路受電路65的控制。這些不同的元件可以被集成在封裝33中的一個或多個IC芯片內(nèi)。
圖7的電路架構(gòu)體現(xiàn)出了幾個基本特征首先，H橋(包括圖6的低端器件40和41)的每個引腳是相互完全獨立的。每個引腳以其自己的電流保護和擊穿電路為特征。因此，在這四個MOSFET中無需“診斷”命令。
第二，低端MOSFET 40和41的正常靜態(tài)是導(dǎo)通的。由于所述橋的每個引腳是獨立的，所以輸入信號IN(1)和IN(2)控制或驅(qū)動高端MOSFET31或32以及各自的低端MOSFET 40和41。也就是說，低端器件40和41分別被門驅(qū)動器75和76驅(qū)動，而門驅(qū)動器75和76則分別由高端FET 31和32的擊穿保護電路61和62驅(qū)動。
關(guān)于擊穿保護，如前所述，當(dāng)電路截止時，兩個低端MOSFET都將是正常導(dǎo)通的(用于制動)。因此，必須注意使正確的低端器件在其所串連的高端器件被截止之前導(dǎo)通。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)與其串連的高端器件的節(jié)點的電壓值高于某給定值(例如2伏)時，該正確的低端MOSFET必須導(dǎo)通。
第三，振蕩器70和比較器71的軟啟動電路將逐漸增大的脈沖寬度調(diào)制信號帶給兩個低端MOSFET 40和41，而不考慮高端MOSFET 31和32中的電流的方向。因而，脈沖寬度調(diào)制電路幾乎是獨立的，并為擴展操作需求提供了極大的靈活性，如電機速度或扭矩的控制。
上述的每一個特征都被選來用于安全橋路操作或提高IC功能間的獨立性，而無需任何H橋邏輯電路。然而，仍需實現(xiàn)的與IC相關(guān)的其它功能包括欠壓鎖閉(lockout)、溫度保護以及診斷反饋。所有這些功能都可以集合在邏輯控制和狀態(tài)IC 65中。
圖6和圖7的電路的最終控制(ultimate control)來自微控制器。因而，在圖8中，提供了微控制器80，其帶有與封裝33上的DG管腳相連的診斷反饋端子或管腳81。該微控制器還提供了分別與封裝33上的IN(1)管腳和管腳IN(2)相連的順時針控制信號輸出管腳82和逆時針旋轉(zhuǎn)管腳83。這些輸入將按照所需的順序?qū)ɑ蚪刂筂OSFET 31、32、40、41，從而使電機30分別順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)。在典型的應(yīng)用中，電機30可以使架子(rack)85向左或向右移動直到分別到達停止開關(guān)86或87為止，從而阻止電機的操作超過給定的界限。
圖8還示出了與電路33上的RC管腳和SS(軟啟動)管腳相連的電阻90和電容91。這些元件控制并編制軟啟動序列，其說明將在后面描述。
圖9示出了用于圖7所示的擊穿保護電路61和62的新穎的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的擊穿控制電路在串連的高端和低端器件導(dǎo)電之間采用有意的空載時間(dead time)。本發(fā)明采用了新穎的自適應(yīng)空載時間(dead time)，其中，當(dāng)MOSFET 31開始截止時，節(jié)點M(1)處的電壓被與2伏基準(zhǔn)89相比較，以導(dǎo)通MOSFET 40。具體而言，圖9示出了帶有低端MOSFET 40的擊穿保護電路61。IC/封裝33的M1、G1和GND管腳也被示出。該擊穿保護電路包括R-S觸發(fā)器95和比較器96，其中比較器96是用于MOSFET 40的VDS比較器。
輸入到比較器的2伏輸入導(dǎo)致恒定的“導(dǎo)通”靜態(tài)信號被提供給管腳G1?！八吣Ｊ健陛斎肱c晶體管97相連接，以提供低功耗電路來保持MOSFET40處于靜態(tài)的“導(dǎo)通”狀態(tài)。(注意，相同的電路被用于低端MOSFET 41)。另外，PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號被施加給晶體管98(同時施加給兩個低端MOSFET 40和41)，但只有非活動的高端能夠?qū)⒃撔盘栟D(zhuǎn)發(fā)到管腳G1或管腳G2。
本發(fā)明的(每個引腳的)新穎的擊穿保護電路有益地分別利用了低端MOSFET 40與41及高端MOSFET 31與32之間的開關(guān)時間差。因而，高端MOSFET 31和32的每一個都配置了傳統(tǒng)的充電泵(charge pump)以獲得高于Vcc的柵極電壓。這些充電泵致使高端MOSFET的導(dǎo)通/截止時間比在圖9所示的電路中直接導(dǎo)通/截止的低端MOSFET要慢。因而。當(dāng)IN1(或IN2)被設(shè)置為高電平時，施加給管腳G1的信號在充電泵電路使相應(yīng)的高端MOSFET 31導(dǎo)通之前立即很好地使MOSFET 40截止。因而，在MOSFET 31和40之間不會形成擊穿路徑。類似地，當(dāng)IN1處的信號被設(shè)置為低電平時，高端開關(guān)31緩慢截止，而低端MOSFET 40只有在比較器96監(jiān)測到的電壓VDS被降低到2伏時才會重新導(dǎo)通，并回到其靜態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)。
結(jié)果，圖9的新穎的電路定出了沒有復(fù)雜電路的自適應(yīng)空載時間(deadtime)電路。本質(zhì)上，R-S觸發(fā)器95和比較器96記憶IN1(或類似地在IN2)處的用來導(dǎo)通高端MOSFET 31的請求；并且當(dāng)完全截止時(例如(M1-GND)＜2伏)，比較器使存儲器復(fù)位。
圖10示出了包含在封裝33中的IC內(nèi)的新穎的軟啟動電路。
更具體地講，圖10示出了圖8的電阻90和電容91以及圖7的震蕩器70和比較器71。電阻90和電容91從外部安裝在電路板上的可接入的位置上，從而它們能夠被不同值的器件替換以按需要改變RC時間常數(shù)。圖10還示出了封裝33的管腳VRC、SS和GND。
圖10的電路產(chǎn)生用于電路啟動的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號。振蕩器70產(chǎn)生在大約1伏到4伏之間振蕩的20KHz以上的鋸齒輸出。該鋸齒輸出被與管腳SS處的電壓進行比較，從而管腳SS將占空比從0％(如果SS小于1伏)驅(qū)動到100％(如果SS大于4伏)。
如圖所示，比較器71的脈沖寬度(pulse duration)輸出隨后逐漸增大，而無需微控制器或程序的控制。SS管腳在正常情況下處在由RC管腳提供電能的RC網(wǎng)90、91的中心點。最后，當(dāng)H-橋被截止時，放電電路101被執(zhí)行以使SS復(fù)位并保持為低電平。
在操作中，當(dāng)IN1管腳被置為高電平時，低端MOSFET 40截止，并且像前所述的那樣，高端MOSFET 31隨后導(dǎo)通，并且放電電路101被釋放。管腳SS處的電壓緩慢增長，結(jié)果產(chǎn)生了低端MOSFET的非活動引腳的柵極處的平滑的占空比變量(PWM信號)。因此，直流電機30所見的開關(guān)波形從0％占空比到100％占空比，從而向電機軸上的負載提供了沒有應(yīng)力的斜坡上升。
軟啟動序列的總的開關(guān)持續(xù)時間(duration)是RC電路90、91的時間常數(shù)的1到4倍。當(dāng)H橋停止導(dǎo)通時，電容器91通過電阻105(50歐姆)放電。電容91必須在任何新的啟動之前完全放電。另外，電機30軸上的負載必須在要求新的啟動序列之前必須到達完全停止。軟啟動持續(xù)時間隨不同的應(yīng)用而變化，它取決于直流電機特性、負載、摩擦等，并在浪涌電流限制和軟啟動持續(xù)時間之間尋求折中。RC的值可以從非常平緩的啟動(其中軟啟動持續(xù)時間差不多是時間常數(shù)Tau的10倍)到低至用于低貫量、低扭矩啟動的時間常數(shù)Tau的兩倍之間變化。
圖11示出了圖7的IC邏輯控制電路65的一部分，并示出了管腳DG、IN1和IN2。
該電路包括滯后欠壓鎖閉電路120，其與Vcc連接并在Vcc下降(例如低于4伏)時，使門121和122關(guān)閉以防止MOSFET 31和32導(dǎo)通。當(dāng)自動重啟能夠發(fā)生時，門121、122被禁止，直到Vcc升高到5伏為止。
圖11還示出了睡眠模式電路，其包括門123、滯后元件124、125和反相器126、127。當(dāng)IN1和IN2都為0時，該電路將整個IC切換到低功耗模式(例如小于50微安)。應(yīng)注意，在睡眠模式期間，低端MOSFET 40和41都保持在導(dǎo)通(ON)。
另外，如圖11所示，當(dāng)IN1和IN2都為高電平時，增加了非制動模式。
最后，當(dāng)H橋被關(guān)閉時，在門128處產(chǎn)生了充電/放電復(fù)位信號(復(fù)位RC)，不管其是否正在制動(braking)。由于內(nèi)部的高端開關(guān)狀態(tài)，開啟管腳DG的收集器輸出被激活。
高端開關(guān)31和32優(yōu)選地為具有電流和熱檢測能力的IPS(智能功率開關(guān))器件。這些器件可以采用標(biāo)準(zhǔn)的垂直導(dǎo)電MOSFET，其利用測量管芯溫度的橫向布置的熱監(jiān)測元件來感應(yīng)電流。更具體地，開關(guān)31和32的特征在于它們是這樣的封裝的或集成的電路，其含有充電泵、過流保護(關(guān)機型)狀態(tài)反饋和有源箝位(active clamp)能力。在某些異常狀態(tài)下，如自動負載清除(load dump)狀態(tài)，有源箝位能力是有用的。
圖12示出了MOSFET 31和32及其保護電路。因此，任何所需類型的溫度檢測器件130向比較器130a提供了輸出。如果溫度超過閥值θth，則向或門131和132施加一個輸出。電流監(jiān)測電路包括用于MOSFET 31的電流鏡像電路(mirror circuit)133、134和用于MOSFET 32的電流鏡像電路135、136，它們分別向比較器138和比較器139提供輸入，比較器138和比較器139對測量的電流和閥值Ith進行比較，如果電流超過了該基準(zhǔn)值，則分別向或門131和132提供信號。
來自門138或139的輸出分別連接并操作RS觸發(fā)器140、141。這會產(chǎn)生與圖11的DG管腳耦合的輸出St1和st2。
圖12還示出了分別用于MOSFET 31和32的驅(qū)動器及充電泵電路150和151。這些也會通過觸發(fā)器140、141的操作被測量的電流故障和溫度故障所關(guān)閉，從而導(dǎo)致橋路的電流或熱關(guān)機。但應(yīng)注意，低端MOSFET 40和41保持導(dǎo)通狀態(tài)，直到復(fù)位條件被加載為止。
由于MOSFET 31和32可能不得不在同一時間耗散能量(一個為導(dǎo)通，另一個為保持原狀態(tài)(free-wheeling))，因此，一旦MOSFET 31、32的結(jié)溫度超過(例如)165℃，則熱保護電路130、130a栓鎖(latch off)，并且該故障狀態(tài)被如上所述地轉(zhuǎn)發(fā)到管腳DG。當(dāng)IN1和IN2在最小時間(例如50微秒)內(nèi)都為低電平，則保護電路復(fù)位。
如圖8所示，上述功能使本發(fā)明的器件特別適用于直流激勵器應(yīng)用。因而，其提供了一種用來短路直流電機30(制動模式下，IN1和IN2都為低)的“睡眠模式”以及用于在兩個方向上運動的斜坡上升軟切換，而無需任何附加電路。在電機導(dǎo)線之間短路或任何電機導(dǎo)線接地的情況下，電流關(guān)機保護了該應(yīng)用。另外，假定對低端MOSFET40和41進行了足夠的冷卻，則可防止整個H橋溫度過高。
本發(fā)明還體現(xiàn)在新穎的布局以及熱控制方面的考慮。因而，在圖12中，當(dāng)其結(jié)溫度達到預(yù)定值(例如165℃)時，熱傳感器130栓鎖(latch off)合適的高端開關(guān)31和32。該保護結(jié)構(gòu)假定MOSFET 40和41的結(jié)溫度將總是低于高端MOSFET的結(jié)溫度。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用來在其被低端器件40、41需要之前確保響應(yīng)高端器件31、32的熱關(guān)機的足夠的誤差限度(margin)就是使低端溫度增量ΔT為高端器件溫度增量的一半。即RDSON)LS·Rthjals＜1/2[RDS(ON)HS·Rthjahs]其中RDS(ON)ls為低端MOSFET 40、41的導(dǎo)通電阻(on resistance)；RDS(ON)HS為高端MOSFET 31、32的導(dǎo)通電阻；Rthjals為低端MOSFET 40、41的結(jié)與環(huán)境(junction to ambient)的熱電阻；Rthjahs為高端MOSFET 32、32的結(jié)與環(huán)境的熱電阻。
應(yīng)注意，Rthja依賴于封裝和容納該MOSFET的散熱器。銅引線框架提供了最好的熱性能和電性能。如果使用PCB，可以在PCB支架或用于MOSFET的其它支架上采用適當(dāng)?shù)你~板、或利用合適的散熱器并通過適當(dāng)設(shè)計的連接管腳或其他裝置去除熱量，從而降低Rthja。
最為本發(fā)明所述的受到完全保護的H橋驅(qū)動器的一個例子，電路被用于驅(qū)動直流電機，并具有下面的特性RDSON-12mΩVCC-5.5到35VIcont@85℃環(huán)境 -6.0安培I關(guān)機-30安培操作頻率-20KHz下表列出了一些絕對最大額定值，它們代表了可以承受的極限，超過它就會造成對驅(qū)動器的損害。其中，電壓以GND管腳為基準(zhǔn)；@25℃的環(huán)境溫度，帶有(2)的符號表示M2輸出
器件熱特性為
典型操作條件如下
最后，在Tj＝25℃、Vcc＝14V時的靜態(tài)電特性為
圖13的時序圖示出了前述的軟啟動序列。圖13中的3條線示出了公共時基t上的管腳In1[或IN2]、SS和[M1-M2](M1+M2)處的電壓。應(yīng)注意，管腳M1處的占空比調(diào)制跟隨管腳SS處電壓的增大，并且調(diào)制周期Tss被設(shè)定為約1-4RC(時間常數(shù))。
圖14示出了在一個公共時基上的用于圖12的管腳IN1或2及M1或2處的有源箝位的有源箝位電壓波形以及管腳M1或2處的電流。
圖15示出了新穎的保護方案在一個公共時基上的管腳IN1或2、DG、M1或2(電流波形)和假定Tj的時序圖。當(dāng)IM1或Tj達到關(guān)機值時，該橋路將被關(guān)閉。
圖16和17示出了在公共時基上的管腳IN1和M1處的導(dǎo)通和截止條件并定義出了先前使用的各種術(shù)語。
圖18示出了電機電流與管腳IN1、IN2、SS、M1和M2處的電壓的關(guān)系的時序圖。操作的軟啟動序列在M1和M2線上示出。所示的制動模式中，M1和M2管腳接地。所示的待機(stand-by)模式中，管腳M1和M2開路(高電平)。
盡管本發(fā)明是結(jié)合其特定的實施方案描述的，但許多其他的變化和修改對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的，因而聲明，本發(fā)明不僅受本文特定公開內(nèi)容的限制。
權(quán)利要求
1.一種用于驅(qū)動電負載的H橋驅(qū)動器，所述H橋驅(qū)動器包括第一和第二高端MOSFET以及第一和第二低端MOSFET，每個所述MOSFET具有各自的漏極、源極和控制電極；所述高端MOSFET的漏極和所述低端MOSFET的源極連接到功率輸入端；在限定出輸出橋端子的第一和第二節(jié)點處，所述第一和第二高端MOSFET的源極分別與所述第一和第二低端電極的漏極相連；用于控制所述高端和低端MOSFET的操作的控制集成電路；所述控制集成電路具有可連接以接收來自外部橋控制電路的輸入控制信號的輸入端，并且具有連接到所述高端MOSFET的所述控制電極的輸出端；用于支撐所述第一和第二高端MOSFET和所述集成電路的支撐裝置；封裝所述第一和第二高端MOSFET及所述集成電路的公共絕緣外殼；以及從所述外殼伸出的多個連接管腳；所述第一和第二高端MOSFET包括智能功率開關(guān)并且具有輸出端，所述輸出端帶有與開關(guān)電流和MOSFET管芯溫度相關(guān)的信號；當(dāng)電流或管芯溫度超過一個給定值時，與所述集成電路連接的所述輸出端產(chǎn)生輸出信號給所述微控制器以使所述H橋停止工作。
2.一種用于驅(qū)動電負載的H橋驅(qū)動器，所述H橋驅(qū)動器包括第一和第二高端MOSFET以及第一和第二低端MOSFET，每個所述MOSFET具有各自的漏極、源極和控制電極；所述高端MOSFET的漏極和所述低端MOSFET的源極連接到功率輸入端；在限定出輸出橋端子的第一和第二節(jié)點處，所述第一和第二高端MOSFET的源極分別與所述第一和第二低端電極的漏極相連；用于控制所述高端和低端MOSFET的操作的控制IC；所述控制IC具有可連接以接收來自外部橋控制電路的輸入控制信號的輸入端，并且具有連接到所述高端MOSFET的所述控制電極的輸出端；用于支撐所述第一和第二高端MOSFET和所述IC的支撐裝置；封裝所述第一和第二高端MOSFET及所述IC的公共絕緣外殼；以及從所述外殼伸出的多個連接管腳；所述連接管腳包括IN1和IN2管腳，它們分別與所述第一和第二高端MOSFET的控制電極連接；Vcc管腳和GND管腳，它們與所述功率輸入端相連；以及M1和M2管腳，它們分別與所述第一和第二節(jié)點相連。
3.一種用于驅(qū)動電負載的H橋驅(qū)動器，所述H橋驅(qū)動器包括第一和第二高端MOSFET以及第一和第二低端MOSFET，每個所述MOSFET具有各自的漏極、源極和控制電極；所述高端MOSFET的漏極和所述低端MOSFET的源極連接到功率輸入端；在限定出輸出橋端子的第一和第二節(jié)點處，所述第一和第二高端MOSFET的源極分別與所述第一和第二低端電極的漏極相連；用于控制所述高端和低端MOSFET的操作的控制IC；所述控制IC具有可連接以接收來自外部橋控制電路的輸入控制信號的輸入端，并且具有連接到所述高端MOSFET的所述控制電極的輸出端；用于支撐所述第一和第二高端MOSFET和所述IC的支撐裝置；封裝所述第一和第二高端MOSFET及所述IC的公共絕緣外殼；以及從所述外殼伸出的多個連接管腳；所述低端MOSFET在正常情況下都是導(dǎo)通的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的器件，還包括在所述IC中的擊穿保護電路，所述擊穿保護電路用于在所述第一或第二高端MOSFET的輸出達到與其全部輸出電壓相比的一個給定的低電壓值時，分別響應(yīng)所述第一或第二高端MOSFET的截止以使所述第一或第二低端器件導(dǎo)通。
5.一種用于驅(qū)動電負載的H橋驅(qū)動器，所述H橋驅(qū)動器包括第一和第二高端MOSFET以及第一和第二低端MOSFET，每個所述MOSFET具有各自的漏極、源極和控制電極；所述高端MOSFET的漏極和所述低端MOSFET的源極連接到功率輸入端；在限定出輸出橋端子的第一和第二節(jié)點處，所述第一和第二高端MOSFET的源極分別與所述第一和第二低端電極的漏極相連；用于控制所述高端和低端MOSFET的操作的控制IC；所述控制IC具有可連接以接收來自外部橋控制電路的輸入控制信號的輸入端，并且具有連接到所述高端MOSFET的所述控制電極的輸出端；用于支撐所述第一和第二高端MOSFET和所述IC的支撐裝置；封裝所述第一和第二高端MOSFET及所述IC的公共絕緣外殼；以及從所述外殼伸出的多個連接管腳；所述IC包括脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器，用于向所述低端MOSFET的所述控制電極提供軟啟動脈沖寬度調(diào)制信號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于，所述低端MOSFET在正常情況下是導(dǎo)通的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，還包括在所述IC中的擊穿保護電路，所述擊穿保護電路用于在所述第一或第二高端MOSFET的輸出達到與其全部輸出電壓相比的一個給定的低電壓值時，分別響應(yīng)所述第一或第二高端MOSFET的截止以使所述第一或第二低端器件導(dǎo)通。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的H橋驅(qū)動器，其特征在于，所述第一和第二高端MOSFET是智能功率開關(guān)并且具有輸出端，所述輸出端帶有與開關(guān)電流和MOSFET管芯溫度相關(guān)的信號；當(dāng)電流或管芯溫度超過一個給定值時，與所述IC連接的所述輸出端產(chǎn)生輸出信號給所述微控制器以使所述H橋停止工作。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的H橋驅(qū)動器，其特征在于，所述第一和第二高端MOSFET是智能功率開關(guān)并且具有輸出端，所述輸出端帶有與開關(guān)電流和MOSFET管芯溫度相關(guān)的信號；當(dāng)電流或管芯溫度超過一個給定值時，與所述IC連接的所述輸出端產(chǎn)生輸出信號給所述微控制器以使所述H橋停止工作；所述連接管腳包括DG管腳，其連接到由IC響應(yīng)管芯溫度或電流的過度而產(chǎn)生的所述輸出信號。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于，所述低端MOSFET在正常情況下是導(dǎo)通的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的器件，還包括在所述IC中的擊穿保護電路，所述擊穿保護電路用于在所述第一或第二高端MOSFET的輸出達到與其全部輸出電壓相比的一個給定的低電壓值時，分別響應(yīng)所述第一或第二高端MOSFET的截止以使所述第一或第二低端導(dǎo)通。
12.根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于，所述IC包括脈沖寬度調(diào)制發(fā)生器，用于向所述低端MOSFET的所述控制電極提供軟啟動脈沖寬度調(diào)制信號。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于，所述低端MOSFET在正常情況下是導(dǎo)通的。
14.根據(jù)權(quán)利要求5所述的H橋驅(qū)動器，還包括外部RC電路，所述RC電路與所述IC連接，用于控制所述軟啟動電路的占空比。
15.根據(jù)權(quán)利要求6所述的H橋驅(qū)動器，還包括外部RC電路，所述RC電路與所述IC連接，用于控制所述軟啟動電路的占空比。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的H橋驅(qū)動器，其特征在于，所述連接管腳包括VRC管腳，其與所述RC電路的電阻的一端相連接；SS管腳，其與所述RC電路的電阻和電容之間的節(jié)點相連接；以及GND管腳，其與所述RC電路的電容的一端相連接。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的H橋驅(qū)動器，其特征在于，所述連接管腳包括IN1和IN2管腳，其分別與所述第一和第二高端MOSFET的控制電極連接；Vcc管腳和GND管腳，其與所述功率輸入端連接；以及M1和M2管腳，其分別與所述第一和第二節(jié)點連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的H橋驅(qū)動器，其特征在于，所述連接管腳包括VRC管腳，其與所述RC電路的電阻的一端相連接；SS管腳，其與所述RC電路的電阻和電容之間的節(jié)點相連接；以及GND管腳，其與所述RC電路的電容一端相連接。
全文摘要
一電路方框圖，包括含在封裝(33)中的控制電路。因此，MOSFET(31)和(33)被分別提供了相應(yīng)的擊穿保護電路(61)和(62)，并分別帶有過流關(guān)機電路(63)和(64)。
文檔編號H01L23/52GK1830091SQ03804242
公開日2006年9月6日 申請日期2003年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月4日
發(fā)明者布魯諾C·納得, 樊尚·蒂埃里, 格扎維?！さ路饏瓮? 李植蔭 申請人:國際整流器公司