CN101346881B - 用于借助微处理器的输出信号驱动电子部件的电路装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助微处理器(MP)的输出信号(V6)来驱动电子部件的电路装置，其包括：带有控制输入端的电子部件；微处理器(MP)，该微处理器在输出端(A1)提供输出信号(V6)；其中所述电路装置此外还包括：在基极电路中的第一双极性晶体管(Q5)，其发射极与微处理器(MP)的输出端(A1)耦合；在发射极电路中的第二双极性晶体管(Q7)，其基极与第一双极性晶体管(Q5)的集电极耦合，其中第二双极性晶体管(Q7)的集电极与电子部件的控制输入端耦合。此外本发明还涉及一种用于借助微处理器(MP)的输出信号(V6)来驱动电子部件的相应方法。

Description

用于借助微处理器的输出信号驱动电子部件的电路装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于借助微处理器的输出信号来驱动电子部件的电路装置，其包括带有控制输入端的电子部件和微处理器，该微处理器在输出端提供输出信号。此外，本发明还包括一种相应的用于借助微处理器的输出信号来驱动电子部件的方法。
背景技术
本发明的背景是，微处理器控制越来越多地应用到功率电子设备中。在此，一种典型的应用是用于驱动带有绝缘栅极的电子开关，这些开关静态地基本上被电压控制，例如MOSFET、IGBT、ESBT，例如用于PFC(功率因子校正)级。
利用微处理器在其输出端提供的、通常具有量级为5V的电压振幅(Spannungshub)的信号(其中趋势是变为更小的电压)来直接驱动这种电子部件是不成功的，因为这种电子部件在其控制输入端为了可靠的驱动需要10V或者更大的驱动电压。此外，微处理器不能以高的开关速度来驱动带有值得一提的输入电容(相应的MOSFET参数叫做栅极总电荷)的高效开关，因为不能提供所需的控制电流。
为了解决该问题，通常使用特殊的集成的驱动电路，这些驱动电路将微处理器的输出信号的电平提高到适合于驱动电子部件的水平，并且可以相应地生成高的输出电流用于高的开关速度。然而，由于其复杂性以及随之而来的高成本，使用这种驱动电路是不利的。
发明内容
因此本发明的任务是，提供一种使得能够以成本低廉的方式和方法借助微处理器的输出信号来驱动电子部件的可能性。
该任务一方面通过具有权利要求1的特征的电路装置来解决，另一方面通过具有权利要求11的特征的方法来解决。
本发明所基于的认识是，当两个双极性晶体管的组合作为驱动级的一部分连接在微处理器的输出端和电子部件的控制输入端之间时，可以解决上述任务，其中与微处理器相连的双极性晶体管连接在基极电路中。该晶体管驱动在发射极电路中工作的另外的双极性晶体管。通过这种方式，一方面借助成本低廉的标准器件也保证了高的开关速度，即无必使用特殊的高频晶体管，另一方面根据本发明的电路装置的优点在于，在包括这两种双极性晶体管的驱动级的供给电压故障时，没有电流流到微处理器的有关输出端并影响其逻辑状态。
通过在第一双极性晶体管的发射极侧驱动第一双极性晶体管，与该双极性晶体管通过其基极侧被驱动的情况相比，可以使用更大的电流。在此优选的是，第一双极性晶体管的基极与参考电势耦合，其中微处理器通过其输入端之一与参考电势耦合，特别是用于电压供给。
为了也以成本低廉的标准器件来保证高的开关速度，可以在第一双极性晶体管的集电极和第二双极性晶体管的基极之间耦合第一防饱和二极管，并且在第一双极性晶体管的集电极和第二双极性晶体管的集电极之间耦合第二防饱和二极管。
为了能够实现电子部件的快速关断，根据本发明的电路装置优选包括另一晶体管，优选为逻辑级MOSFET，特别是n沟道MOSFET，其控制电极与微处理器的输出端耦合，其参考电极与第二参考电势、特别是与地耦合，并且其工作电极与电子部件的控制输入端耦合。由此，此外可以实现的优点是，根据本发明的电路装置的非常小的静态电流吸收(Ruhestromaufnahme)。
优选的是，电子部件的控制输入端通过下拉电阻(Pull-DownWinderstand)与第二参考电势耦合，由此电子部件也无需有源的控制电路而被可靠地阻塞在不工作状态。
在微处理器的输出端的输出信号的电压振幅优选为最大6V。优选的是，第一双极性晶体管为npn型，第二双极性晶体管为pnp型。如已经提及的那样，电子部件是基本上为电压控制的电子部件，特别是MOSFET、IGBT或者ESBT。
另外的优选的实施形式由从属权利要求中得到。
参照根据本发明的电路装置阐述的优选实施形式及其优点以相应的方式适合于根据本发明的方法。
附图说明
以下，参照附图进一步描述根据本发明的电路装置的实施例。其中：
图1以示意图示出了根据本发明的电路装置的一个实施例的电路图；
图2示出了在接通和断开MOSFET时图1的电路装置的不同量的时间曲线；
图3以放大的视图示出了在接通MOSFET时图1的电路装置的不同量的时间曲线；以及
图4以放大的视图示出了在断开MOSFET时图1的电路装置的不同量的时间曲线。
具体实施方式
图1以示意图示出了根据本发明的电路装置的一个优选实施例的电路图。如在以下阐述方面对于技术人员显而易见的那样，电子部件中的一些是基于仿真的。电路装置包括微处理器MP，在其输出端A1上提供了输出信号V6。该输出信号通过电阻R97被施加到基极电路中的双极性晶体管Q5的发射极。其基极处于参考电势V7，该参考电势在该实施例中为5V并且同时用于微处理器MP的供电。双极性晶体管Q5的集电极与第二双极性晶体管Q7的基极相连，该第二双极性晶体管Q7在发射极电路中被驱动。第二双极性晶体管的集电极通过电阻R108与控制输入端、即与通过MOSFET晶体管M9实现的功率开关的栅极相连。在第一双极性晶体管Q5的集电极和第二双极性晶体管Q7的基极之间耦合有第一防饱和二极管D86，在第一双极性晶体管Q5的集电极和第二双极性晶体管Q7的集电极之间耦合有第二防饱和二极管D87。场效应晶体管M9的栅极与场效应晶体管Q9的漏极端子耦合，其源极处于地端子，而其栅极与微处理器MP的输出端A1相连。在场效应晶体管M9的栅极和地端子之间耦合有下拉电阻R1。为了模拟感性负载，电感L9与场效应晶体管的漏极端子相连，其中漏极端子此外通过二极管D72和齐纳二极管D78的串联电路与地电势相连。包括双极性晶体管Q5和Q7的驱动级以及场效应晶体管Q9和场效应晶体管M9由电压源V1供电，该电压源在此提供12V的电压。
图2示出了在接通(左半图)和断开(右半图)时场效应晶体管M9的栅极电流IG以及栅极电压UG的时间曲线。在图3中可以更明显看到接通过程，在图4中可以更明显看到断开过程，以下参照它们进行描述。
为了接通场效应晶体管M9，在微处理器MP的输出端A1首先施加地电势，由此接通第一双极性晶体管Q5。接通第一双极性晶体管Q5引起第二双极性晶体管Q7的接通，该双极性晶体管Q7随后产生集电极电流，该电流基本上作为栅极电流IG流入场效应晶体管M9的栅极中。第二场效应晶体管Q9由于在微处理器MP的输出端A1上的电压处于地电势而首先被截止。通过场效应晶体管M9的栅极以载流子溢出，场效应晶体管在200ns之内被接通，参见图3中的场效应晶体管M9的栅极电压UG从0V上升到大约12V。
为了断开场效应晶体管M9，在微处理器MP的输出端A1提供5V信号，由此双极性晶体管Q5截止，场效应晶体管Q9导通。由此，场效应晶体管M9的栅极端子与地电势相连，并且能够实现载流子从M9的栅极流出，这导致具有负的幅度的栅极电流IG。由于场效应晶体管M9的米勒电容(Miller-Kapazitaet)和感性负载L9导致的振荡产生过振荡。在栅极负载去除之后，栅极电流IG又回到0A。具有负的幅度的栅极电流IG导致场效应晶体管M9在20ns内断开，参见图4中的栅极电压UG的曲线。
如果驱动级的两个双极性晶体管被作为射极跟随器工作，即在集电极电路中工作，则不能实现这种短的、如在图3和4中所示的开关时间。在断开的状态中，也就是说双极性晶体管Q5被截止，由此双极性晶体管Q7被截止，场效应晶体管Q9导通，场效应晶体管M9被断开，则静态电流吸收为0。当在场效应晶体管Q9的输出端设置下拉电阻R1，其中当该电阻在整个电路的启动阶段负责将MOSFET M9可靠地截止时，可以实现图1中所示的电路装置的改进。
图1中所示的电路装置此外无如下问题地工作：这些问题会通过在发射极电路中工作的晶体管Q5在供给电压V1＜V7时的反向驱动而被引起。微处理器MP的输出端由此可能从外部被箝位到过低的电压，该电压会不利影响微处理器MP的功能。此外，这由于其输出端的过载会导致微处理器MP的毁坏。在根据本发明的解决方案中，该问题通过使用防饱和二极管D86和D87(它们同时用作晶体管Q5的反向保护二极管)而避免。如果不使用这些二极管，当微处理器MP欧姆连接到逻辑高(High)或者三态时，则可以解决该问题。
在图2至图4的时间曲线中，在作为基础的实施例中，图1的电路装置的电子半导体部件通过如下器件来实现：Q5通过BC846A，Q7通过BC807-40，D86和D87分别通过D1N4148，Q9通过BSS87/SIE，M9通过IRF830，D72通过D1N4937，D78通过D1N5254。对于Q9，成本低廉的替代例如为BSS98，BSS123以及2N7002。

Claims (12)

1.一种用于借助微处理器(MP)的输出信号(V6)来驱动电子部件的电路装置，其包括：
-带有控制输入端的电子部件；
-微处理器(MP)，该微处理器在输出端(A1)提供输出信号(V6)；
-在基极电路中的第一双极性晶体管(Q5)，其发射极与微处理器(MP)的输出端(A1)耦合；
-在发射极电路中的第二双极性晶体管(Q7)，其基极与第一双极性晶体管(Q5)的集电极耦合，其中第二双极性晶体管(Q7)的集电极与电子部件的控制输入端耦合，其特征在于，
微处理器(MP)具有输入端，微处理器(MP)通过该输入端与第一参考电势(V7)耦合，其中第一双极性晶体管(Q5)的基极与微处理器(MP)的第一参考电势(V7)耦合。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，
在第一双极性晶体管(Q5)的集电极和第二双极性晶体管(Q7)的基极之间耦合有第一防饱和二极管(D86)，并且在第一双极性晶体管(Q5)的集电极和第二双极性晶体管(Q7)的集电极之间耦合有第二防饱和二极管(D87)。
3.根据权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，
该电路装置包括另一晶体管(Q9)，该晶体管的控制电极与微处理器(MP)的输出端(A1)耦合，该晶体管的参考电极与第二参考电势耦合，并且该晶体管的工作电极与电子部件的控制输入端耦合。
4.根据权利要求3所述的电路装置，其特征在于，
电子部件的控制输入端通过下拉电阻(R1)与第二参考电势耦合。
5.根据权利要求3所述的电路装置，其特征在于，
所述另一晶体管是MOSFET。
6.根据权利要求3所述的电路装置，其特征在于，
所述另一晶体管是n沟道MOSFET。
7.根据权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，
在微处理器(MP)的输出端(A1)上的输出信号(V6)的电压振幅为最大6V。
8.根据权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，
第一双极性晶体管(Q5)为npn型。
9.根据权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，
第二双极性晶体管(Q7)为pnp型。
10.根据权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，
电子部件是为电压控制的电子部件。
11.根据权利要求1或2所述的电路装置，其特征在于，
电子部件是MOSFET、IBGT或者ESBT。
12.一种用于借助微处理器(MP)的输出信号(V6)来驱动电子部件的方法，其特征在于包括以下步骤：
a)微处理器(MP)的输出信号(V6)被耦合到基极电路中的第一双极性晶体管(Q5)的发射极；
b)第一双极性晶体管(Q5)的集电极与发射极电路中的第二双极性晶体管(Q7)的基极耦合，其中第二双极性晶体管(Q7)的集电极与电子部件的控制输入端耦合；
c)微处理器(MP)的输入端与第一参考电势(V7)耦合，其中第一双极性晶体管(Q5)的基极与微处理器(MP)的第一参考电势(V7)耦合。
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