CN101807905B - 一种耗尽型半导体开关器件的驱动电路及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的耗尽型半导体开关器件的驱动电路，包括开关控制单元，管理单元与信号处理单元，信号处理单元的输入端与管理单元的输出端连接，以接收管理单元的输出信号，信号处理单元的输出端与开关控制单元连接，以控制开关控制单元的开与闭；再通过驱动电路的驱动，解决了现有耗尽型半导体开关器件在工作过程中电路损耗大的技术问题，通过提供的技术方案，使电路启动时，高效控制了由耗尽型半导体“常通”特性引起的母线短路电流和启动浪涌电流；在电路开关状态下，有效降低了由于增强型半导体开关器件参与开关工作引起的额外开关损耗；在耗尽型开关器件关断状态，有效降低了其在关断状态时的漏电流；在电路系统处于故障保护状态时，对电路启起到有效保护的作用。

Description

一种耗尽型半导体开关器件的驱动电路及其驱动方法

技术领域

本发明涉及电子开关器件，具体涉及一种耗尽型半导体开关器件的驱动电路及其驱动方法。

背景技术

随着半导体开关器件制造技术的提高，高电子迁移率晶体管(HEMT)凭借其自身的低阻性、高频性和高效性的特点，越来越广泛的更多的应用于功率开关电路。现阶段的高电子迁移率晶体管(HEMT)大多数还属于耗尽型开关器件。相对于增强型半导体开关器件，耗尽型半导体开关器件自身具有的“常通型”特点，使其在功率开关电路的待机状态或者故障保护状态不能保持关闭状态。这样会使开关功率电路的母线电指标处于失控状态。解决该问题的传统方法参见图1，即在耗尽型开关器件的栅极接入电路的低电位点，漏极接入电路母线高电位点，源极接入增强型半导体开关器件的漏极或集电极；在增强型半导体开关器件的源极或发射极接电路母线的低电位点，通过控制增强型半导体开关器件的栅极可以达到控制耗尽型开关器件开关状态的目的。该方法虽然具有控制线路简单，控制效果有效的优点，但是由于增强型半导体开关器件参与主开关器件工作，限制了电路最高工作频率，增加了电路的开关功率损耗；同时由于增强型半导体开关器件关闭时的漏极电压由耗尽型器件的自身的关断电压决定，在电路关断时，不能最大程度降低耗尽型开关器件的漏电流，增加了开关电路的损耗。

发明内容

为了解决耗尽型半导体开关器件在工作过程中电路损耗大的技术问题，本发明提供一种耗尽型半导体开关器件的驱动电路，包括开关控制单元，所述耗尽型半导体开关器件的驱动电路还包括管理单元与信号处理单元，所述信号处理单元的输入端与管理单元的输出端连接，以接收管理单元的输出信号，所述信号处理单元的输出端与开关控制单元连接，以控制开关控制单元的开与闭。

上述开关控制单元由第一晶体管以及与第一晶体管连接的第二晶体管组成；

所述管理单元的输出端设置有PWM信号输出端接口与软启动信号输出接口；

所述信号处理单元由第一信号处理单元和第二信号处理单元组成；

所述第一信号处理单元的输入端与管理单元的PWM信号输出端接口连接，以接收管理单元的PWM信号，输出端与第一晶体管连接，输出第一驱动信号后以控制第一晶体管的开关状态；

所述第二信号处理单元的输入端与管理单元的软启信号输出端接口连接，以接收管理单元的软启信号；输出端与第二晶体管连接，以控制第二晶体管的开关状态；

所述开关控制单元软启信号输出端和第二信号处理单元之间的第一节点与开关控制单元软启信号输出端与第二晶体管直接的第二节点之间设置有软启电容，通过管理单元经过启动延迟时间对电路软启动充电，以输出软启动信号。

上述第一节点与第二信号处理单元之间设置有与门单元。

上述第一信号处理单元中设置有负电压转换单元，对第一信号处理单元的PWM信号与输出信号进行同相位、幅值变为在正、负之间变化的驱动电压转换；以有效控制第一晶体管的开关状态；

所述第二信号处理单元包括比较单元、延时单元以及放大单元；将软启动信号进行比较、延时和放大后输出第二驱动信号以控制第二晶体管的开关状态。

上述第一晶体管与第二晶体管是半导体开关晶体管，并且所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的漏极相连接，所述第一晶体管的栅极与第一信号处理单元的输出端相连，所述第一晶体管的漏极与电路母线高电位端相连接；所述第二晶体管的漏极与所述第一晶体管的源极相连接，所述第二晶体管的栅极与第二信号处理单元输出端相连接，第二晶体管的源极与电路母线低电位端相连接。

上述第一晶体管是为电路主开关器件的耗尽型器件，在无驱动信号时保持常通状态，输入驱动信号保持开关状态。

上述第二晶体管是增强型器件，在无控制信号时保持关断状态，输入饱和驱动电压信号时保持常通状态。

上述第一信号处理单元和第二信号处理单元集成于管理单元内。

一种耗尽型半导体开关器件的驱动电路的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1)对耗尽型半导体开关器件的驱动电路加电，管理单元经过软启动时间对电路软启电容充电，并输出软启动信号Soft；

步骤2)当步骤1中软启动信号电压触发后，管理单元输出PWM信号；软启动信号Sof t输入第二信号处理单元；

步骤3)管理单元输出的PWM信号经信号处理单元经负电压转换单元后输出与PWM信号相同相位的信号DR，幅值变为在正、负之间变化的驱动电压，第一晶体管进入开关工作状态；

步骤4)第二信号处理单元将软启信号进行比较、延时和放大后输出驱动能力足够驱动第二晶体管处于饱和导通状态信号ST；

步骤5)对ST信号的相位根据软启动信号Soft相位作相应调整，保证第一晶体管进入开关工作状态瞬间，第二晶体管进入饱和导通状态，实现电路的驱动。

上方法包括还以下步骤：在耗尽型半导体开关器件的驱动电路发生过流或过压故障和关机时，管理单元的软启动信号放电，管理单元进入待机或保护状态。

本发明的技术方案如下：

本发明具有以下优点：

1).在电路启动时，高效控制了由耗尽型半导体“常通”特性引起的母线短路电流和启动浪涌电流。

2).在电路开关状态下，有效降低了由于增强型半导体开关器件参与开关工作引起的额外开关损耗。

3).在耗尽型开关器件关断状态，有效降低了其在关断状态时的漏电流。

4).在电路系统处于故障保护状态时，对电路启到有效保护的作用。

附图说明

附图1为现有耗尽型半导体开关器件驱动电路原理图；

附图2为本发明耗尽型半导体开关器件的驱动电路的原理框图；

附图3为本发明信号处理单元的电路原理框图；

附图4为本发明开关控制单元的电路原理框图；

附图5为本发明耗尽型半导体开关器件的驱动电路的原理图；

附图6为本发明耗尽型半导体开关器件的驱动电路工作时的波形信号图；

附图7为本发明耗尽型半导体开关器件的驱动电路中增加与门的电路原理图；

附图8为本发明信号处理单元与PWM控制单元集成为一体的电路原理框图。

附图标记说明：

开关控制单元1，第一晶体管101，第二晶体管102；管理单元2；信号处理单元3，第一信号处理单元301；第二信号处理单元302；软启电容4；与门单元5。

具体实施方式

以下参照附图来详细说明本发明：

参见图2-图5所示，本发明提供的耗尽型半导体开关器件的驱动电路，包括开关控制单元1，管理单元2与信号处理单元3，信号处理单元3的输入端与管理单元2的输出端连接，以接收管理单元的输出信号，信号处理单元3的输出端与开关控制单元1连接，以控制开关控制单元1的开与闭。

其中，开关控制单元1由第一晶体管101以及与第一晶体管101连接的第二晶体管102组成；管理单元的输出端设置有PWM信号输出端接口与软启动信号输出接口；信号处理单元3由第一信号处理单元301和第二信号处理单元302组成；第一信号处理单元301的输入端与管理单元2的PWM信号输出端接口连接，以接收管理单元2的PWM信号，输出端与第一晶体管101连接，输出第一驱动信号后以控制第一晶体管101的开关状态；第二信号处理单元302的输入端与管理单元2的软启信号输出端接口连接，以接收管理单元2的软启信号；输出端与第二晶体管102连接，以控制第二晶体管102的开关状态；管理单元2软启信号输出端和第二信号处理单元302之间的第一节点a与管理单元2软启信号输出端与第二晶体管102之间的第二节点b之间设置有软启电容4，电容4的容量可以根据电路设计要求设定。通过管理单元2软启信号输出端对电路软启动充电，以输出软启动信号。或者在第一节点与第二信号处理单元之间设置与门单元5。

其中，第一信号处理单元301中设置有负电压转换单元311，对第一信号处理单元301的PWM信号与输出信号进行同相位、幅值变为在正、负之间变化的驱动电压转换；以有效控制第一晶体管101的开关状态；第二信号处理单元302包括比较单元312、延时单元322以及放大单元332；将软启信号进行比较、延时和放大后输出第二驱动信号以控制第二晶体管102的开关状态。

其中，第一晶体管101与第二晶体管102是半导体晶体管，并且所述第一晶体管101的源极与所述第二晶体管102的漏极相连接，第一晶体管101的栅极与第一信号处理单元301的输出端相连，第一晶体管101的漏极与电路母线高电位端相连接；第二晶体管102的漏极与所述第一晶体管101的源极相连接，第二晶体管102的栅极与第二信号处理单元302输出端相连接，第二晶体管102的源极与电路母线低电位端相连接。第一晶体管为耗尽型开关器件，在无驱动信号时保持常通状态，输入驱动信号时保持开关状态。第二晶体管是增强型开关器件，在无控制信号时保持关断状态，输入饱和驱动电压信号时保持常通状态，避免了在电路加电瞬间电路母线短路现象。

本发明的工作原理如下：

参见图2-图6所示，耗尽型半导体开关器件的驱动电路通电后，其中管理单元为PWM控制单元，PWM控制单元经过启动延迟时间对电路软启电容充电，输出软启动信号Soft，当软启动信号Soft电压触发后，控制PWM控制单元输出PWM信号。软启动信号Soft输入第二信号处理单元。由于第二信号处理单元具有阻抗匹配、信号比较放大、信号延时功能。软启动信号Soft经过第二信号处理单元处理后，输出ST信号。ST信号的驱动能力足够驱动第二晶体管处于饱和导通状态。ST信号相位根据软启动信号Soft相位作相应调整，以保证第一晶体管进入开关工作状态瞬间，第二晶体管进入饱和导通状态，实现电路的驱动。，

PWM控制单元输出的PWM信号输入第一信号处理单元，第一信号处理单元输出DR信号，DR信号和PWM信号的相位相同、幅值变为在正、负之间变化的驱动电压，占空比逐渐变大，第一晶体管在开关状态开始工作。第一晶体管在进入开关状态瞬间，第二信号处理单元输出ST信号，第二晶体管进入饱和导通状态。

这个过程避免了在第一晶体管导通瞬间因为其“常通”特性引起的浪涌电流。同时，因为在正常的PWM工作周期内，ST信号使第二晶体管保持饱和导通状态，避免了在常见控制方法中，由于第二晶体管参与与主开关器件同步开关带来的额外的开关损耗。

在电路发生过流或过压故障和关机时，PWM控制单元的软启动信号Soft放电，PWM控制单元进入待机或保护状态。软启动信号Soft降为低电平，ST信号同时降低为零电平，第二晶体管关闭。PWM控制单元输出的PWM信号由软启动信号Soft控制关闭，第二信号处理单元输出的DR信号降为零电位，第一晶体管M处于导通状态。第二晶体管关闭，电路母线电流处于关断状态，耗尽型开关第一晶体管没有电流通过。第一信号处理单元和第二信号处理单元根据不同的输入信号幅度、频率等指标实现如图3所示信号波形转换，实现的输出波形应适合第一晶体管和第二晶体管的驱动需求。在使用没有软启动信号Soft的PWM控制单元时，也可通过设计功能电路处理PWM信号输出类似Soft的其他信号，达到控制第二晶体管的目的。

第二信号处理单元亦可考虑输入“过流”或者“过压”等电路保护信号，参见图7所示，在第一节点与第二信号处理单元之间设置与门单元，电路中的软启动信号Soft和电路异常信号d作“与”逻辑后输入第二信号处理单元。电路异常信号为“低”有效。在电路出现异常时，可直接关闭第二晶体管。

如图8所示，根据实际需求，也可通过简单集成将第一信号处理单元和第二信号处理单元集成入PWM控制单元中。

本发明通过以上实施方式，使电路启动时，高效控制了由耗尽型半导体“常通”特性引起的母线短路电流和启动浪涌电流；在电路开关状态下，有效降低了由于增强型半导体开关器件参与开关工作引起的额外开关损耗；在耗尽型开关器件关断状态，有效降低了其在关断状态时的漏电流；在电路系统处于故障保护状态时，对电路启到有效保护的作用。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种耗尽型半导体开关器件的驱动电路，包括开关控制单元，其特征在于：所述耗尽型半导体开关器件还包括管理单元与信号处理单元，所述信号处理单元的输入端与管理单元的输出端连接，以接收管理单元的输出信号，所述信号处理单元的输出端与开关控制单元连接，以控制开关控制单元的开与闭；

所述开关控制单元由第一晶体管以及与第一晶体管连接的第二晶体管组成；

所述第一晶体管和第二晶体管是半导体开关器件，并且所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的漏极相连接，所述第一晶体管的栅极与第一信号处理单元的输出端相连，所述第一晶体管的漏极与电路母线高电位端相连接；所述第二晶体管的漏极与所述第一晶体管的源极相连接，所述第二晶体管的栅极与第二信号处理单元输出端相连接，第二晶体管的源极与电路母线低电位端相连接；

所述管理单元的输出端设置有PWM信号输出端接口与软启动信号输出接口；

所述信号处理单元由第一信号处理单元和第二信号处理单元组成；

所述第一信号处理单元的输入端与管理单元的PWM信号输出端接口连接，以接收管理单元的PWM信号，输出端与第一晶体管连接，输出第一驱动信号后以控制第一晶体管的开关状态；

所述第二信号处理单元的输入端与管理单元的软启动信号输出接口连接，以接收管理单元的软启动信号；输出端与第二晶体管连接，以控制第二晶体管的开关状态；软启动信号经过第二信号处理单元处理后，输出ST信号；ST信号的驱动能力足够驱动第二晶体管处于饱和导通状态；ST信号相位根据软启动信号相位作相应调整，以保证第一晶体管进入开关工作状态瞬间，第二晶体管进入饱和导通状态，实现电路的驱动；

所述管理单元的软启动信号输出接口和第二信号处理单元之间的第一节点与管理单元的软启动信号输出接口与第二晶体管之间的第二节点之间设置有软启动电容，通过管理单元经过启动延迟时间对电路软启动充电，以输出软启动信号。

2.根据权利要求1所述的耗尽型半导体开关器件的驱动电路，其特征在于：所述第一节点与第二信号处理单元之间设置有与门单元。

3.根据权利要求1所述的耗尽型半导体开关器件的驱动电路，其特征在于：所述第一信号处理单元中设置有负电压转换单元，对第一信号处理单元的PWM信号与输出信号进行同相位、幅值变为在正、负之间变化的驱动电压转换；以有效控制第一晶体管的开关状态；

所述第二信号处理单元包括比较单元、延时单元以及放大单元；将软启动信号进行比较、延时和放大后输出第二驱动信号以控制第二晶体管的开关状态。

4.根据权利要求3所述的耗尽型半导体开关器件的驱动电路，其特征在于：所述第一晶体管是为电路主开关器件的耗尽型器件，在无驱动信号时保持常通状态，输入驱动信号保持开关状态。

5.根据权利要求3所述的耗尽型半导体开关器件的驱动电路，其特征在于：所述第二晶体管是增强型器件，在无控制信号时保持关断状态。

6.根据权利要求1所述的耗尽型半导体开关器件的驱动电路，其特征在于：所述第一信号处理单元和第二信号处理单元集成于管理单元内。

7.一种实现耗尽型半导体开关器件的驱动电路的驱动方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1)对耗尽型半导体开关器件的驱动电路加电，该驱动电路包括开关控制单元，耗尽型半导体开关器件还包括管理单元与信号处理单元，所述信号处理单元的输入端与管理单元的输出端连接，以接收管理单元的输出信号，所述信号处理单元的输出端与开关控制单元连接，以控制开关控制单元的开与闭；其中，开关控制单元由第一晶体管以及与第一晶体管连接的第二晶体管组成；管理单元的输出端设置有PWM信号输出端接口与软启动信号输出接口；信号处理单元由第一信号处理单元和第二信号处理单元组成；第一信号处理单元的输入端与管理单元的PWM信号输出端接口连接，以接收管理单元的PWM信号，输出端与第一晶体管连接，输出第一驱动信号后以控制第一晶体管的开关状态；第二信号处理单元的输入端与管理单元的软启动信号输出接口连接，以接收管理单元的软启动信号；输出端与第二晶体管连接，以控制第二晶体管的开关状态；管理单元软启动信号输出接口和第二信号处理单元之间的第一节点a与管理单元软启动信号输出接口与第二晶体管之间的第二节点b之间设置有软启动电容，软启动电容的容量可以根据电路设计要求设定；通过管理单元软启动信号输出接口对电路软启动充电，以输出软启动信号；

其中，第一晶体管与第二晶体管是半导体晶体管，并且所述第一晶体管的源极与所述第二晶体管的漏极相连接，第一晶体管的栅极与第一信号处理单元的输出端相连，第一晶体管的漏极与电路母线高电位端相连接；第二晶体管的漏极与所述第一晶体管的源极相连接，第二晶体管的栅极与第二信号处理单元输出端相连接，第二晶体管的源极与电路母线低电位端相连接；第一晶体管为耗尽型开关器件，在无驱动信号时保持常通状态，输入驱动信号时保持开关状态；第二晶体管是增强型开关器件，在无控制信号时保持关断状态，输入饱和驱动电压信号时保持常通状态；

步骤2)当步骤1中软启动信号电压触发后，管理单元输出PWM信号；软启动信号输入第二信号处理单元；

步骤3)管理单元输出的PWM信号经信号处理单元经负电压转换单元后输出与PWM信号相同相位，幅值变为在正、负之间变化的驱动电压信号DR，第一晶体管进入开关工作状态；

步骤4)第二信号处理单元将软启动信号进行比较、延时和放大后输出驱动能力足够驱动第二晶体管处于饱和导通状态信号ST；

步骤5)对ST信号的相位根据软启动信号相位作相应调整，保证第一晶体管进入开关工作状态瞬间，第二晶体管进入饱和导通状态，实现电路的驱动。

8.根据权利要求7所述的实现耗尽型半导体开关器件的驱动电路的驱动方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

在耗尽型半导体开关器件的驱动电路发生过流或过压故障和关机时，管理单元的软启动信号放电，管理单元进入待机或保护状态。

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