CN101816128B - 用于动力开关元件的驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种用于动力开关元件(3)的驱动电路(1)包括：用于接收驱动脉冲的输入端子(21)；第一(5)和第二半导体元件(7)，每个半导体元件具有可控端子、电压放大端子和电流放大端子，所述第一和第二晶体管的电流放大端子被互连，第一半导体元件(5)的电压放大端子被连接到第一功率轨(13)而第二半导体元件(7)的电压放大端子被连接到第二功率轨(15)，第一功率轨(13)的电势比第二功率轨(15)的电势高，第一和第二半导体元件的可控端子被互连；电阻器(17)和二极管(19)，并联连接在所述可控端子和输入端子(21)之间；以及电容器(23)，连接在所述可控端子和所述电流放大端子之间，其中每个所述半导体元件(5，7)具有连接在其电流放大端子和其电压放大端子之间的二极管(9，11)。

Description

用于动力开关元件的驱动电路
技术领域
本发明涉及用于驱动例如功率金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)的驱动电路。
背景技术
为了栅极驱动诸如功率mosfet的大动力系元件，本领域已知许多解决方案。例如，存在适合于此目的的许多不同的集成电路。这些装置很昂贵并且具有特定属性，以致它们是不可互换的。这意味着当针对应用而选择了来自特定厂商的特定类型的集成电路时其不能容易地被另一类型的集成电路所取代。
基于双极型晶体管的驱动电路也是已知的。为获得相同的效果，已知这样的驱动电路要更加复杂。
期望在晶体管的栅极上获得负电压，其驱动输出信号以使其完全饱和。在基于双极型晶体管或集成电路的现有技术的解决方案中，这是通过添加用于提供负电压的附加电压源或者使用共发射极形式的反向驱动级而获得的，这导致更加复杂的设计。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于动力开关元件(power switchcomponent)的更灵活的驱动电路。
根据本发明，提供用于一种用于动力开关元件的驱动电路，所述驱动电路包括：用于接收驱动脉冲的输入端子；第一半导体元件和第二半导体元件，每个半导体元件具有可控端子、电压放大端子和电流放大端子，所述第一和第二晶体管的电流放大端子被互连，第一半导体元件的电压放大端子被连接到第一功率轨(power rail)而第二半导体元件的电压放大端子被连接到第二功率轨，第一功率轨的电势比第二功率轨的电势高，第一和第二半导体元件的可控端子被互连；电阻器和二极管，并联连接在所述可控端子和输入端子之间；以及电容器，连接在所述可控端子和所述电流放大端子之间，其中每个所述半导体元件具有连接在其电流放大端子和其电压放大端子之间的二极管。
根据本发明的驱动电路是基于晶体管，所述晶体管是基本上等效的，与制造商或供应商无关。因此，驱动电路的选择不会导致特定类型的元件对特定厂商的依赖性。此外，驱动电路能够以相对低的成本来实施。
利用根据本发明的驱动电路，使用仅一个电源轨就能够获得到正负供电轨电压两者的饱和驱动电压。使用仅一个电源，即使驱动电压低于正轨电压和负轨电压，输出电压能够被驱动高达轨电压和下至负轨电压。驱动电路的延迟时间是可调节的。而且，能够使得电流相对于时间的变化di/dt以及电压相对于时间的变化dv/dt非常快。
在第一优选的实施例中，第一和第二半导体元件是mosfet，可控端子是mosfet的栅极，电压放大端子是漏极以及电流放大端子是源极。二极管是为mosfet所固有的体-漏极(body-drain)二极管。
在第二优选的实施例中，第一和第二半导体元件是双极型晶体管。在这种情况下，可控端子是晶体管的基极，电压放大端子是集电极以及电流放大端子是发射极。双极型晶体管没有像mosfet那样的具有固有体-漏极二极管；因此当使用双极型晶体管时必须提供以与mosfet的体-漏极二极管相同的方式连接的单独二极管。
在第三实施例中，第一和第二半导体元件是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。在这种情况下，可控端子是晶体管的栅极，电压放大端子是漏极以及电流放大端子是源极。就双极型晶体管而言，提供以与mosfet的体-漏极二极管相同的方式连接的单独二极管。
可以以不同的方式选择第一和第二功率轨的电势。例如，第二功率轨可以是中性的而第一功率轨具有正电势。可替换地，第一功率轨可以是中性的而第二功率轨具有负电势。重要的事情在于第一功率轨具有比第二功率轨更高的电势。
附图说明
在下文中将通过示例的方式且参照附图来描述本发明，其中：
图1示出根据本发明优选实施例的驱动mosfet的驱动电路。
图2示出在电压脉冲被施加到驱动电路的输入之前、期间和之后驱动电路的不同点处的电压变化。
具体实施方式
图1示出根据本发明优选实施例的驱动电路。该驱动电路在这个示例中被布置成驱动动力开关元件3。所驱动的元件可以是例如mosfet、双极型晶体管或者绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。驱动电路包括第一n沟道mosfet 5和第二p沟道mosfet 7，它们通过栅极和源极而彼此连接。从n沟道mosfet 5的源极到漏极以及从p沟道mosfet 7的漏极到源极的二极管9、11(被称为体-漏极二极管)为mosfet所固有。n沟道mosfet 5的漏极连接到电源的正支路13。p沟道mosfet 7的漏极连接到电源的中性支路15。mosfet 5、7的栅极连接到与二极管19并联连接的电阻器17的第一端，二极管19的阳极面向栅极。电阻器17的另一端和二极管19的阴极连接到输入端子21，该输入端子21被布置成接收驱动电路1的控制信号。在位于一侧的电阻器17的第一端和二极管19的阳极与位于另一侧的mosfet 5、7的源极之间连接电容器23。
应当理解的是，代替正轨(positive rail)13和中性轨(neutralrail)15，轨13、15可以具有任何电势，只要第一轨13比第二轨15具有更大的电势。例如，轨13可以是中性的而轨15可以具有负电势。因此，在本描述中关于功率轨13、15的术语“正”和“中性”可以由“较高电势”和“较低电势”取代。
当电源的中性支路15所涉及的正脉冲被提供在输入端子21上时，n沟道mosfet 5的栅极电压将增加，并且它将开始导通。到mosfet 5开始导通的时候，同时电容器23将已经被充电，并且将自举电压回到栅极并使n沟道mosfet饱和。这将给予在mosfet 5、7的互连源极处的缓冲器的输出侧高达电源的正轨13的很干净且快速驱动。饱和的驱动将继续，只要电容器23不通过电阻器17被放电。这意味着当需要克服大量充电以在短时间内完全饱和时向动力开关3的栅极施加最大驱动电压，因而最小化动力开关3的开关损耗。在n沟道mosfet 5开始导通之前由电容器23和电阻器17提供的短的截然不同的延迟能够用来防止不同类型的dc/dc变换器拓扑中的交叉导通。由于电容器23提供的自举，将提供具有高动态增益的大正反馈，因而最小化正斜率时间，作为替代给出固定的信号延迟。
当负向信号被施加在输入端子21上时，二极管19将开始导通并且排空(drain)n沟道mosfet 5的栅极因此它将停止导通，并且当电压下降更多时p沟道mosfet 7将开始导通并且排空动力开关3的栅极。同时电容器23将排空p沟道mosfet 7的栅极并且导通电流以致产生p沟道mosfet 7上的栅极到源极上的负向电压。这将使驱动级的负向输出信号完全饱和到驱动电路的输出处的较低电势支路15。由于应用大正反馈电容器23，动态增益很高。这导致转到负电压的快速负向斜率。负向斜率的性质对确保所驱动的元件3被适当地排空有极大的用处。这对双极型和mosfet晶体管两者都是有用的。
在图1所示的实施例中，在驱动电路1中使用mosfet晶体管5、7。如上面所提及的，这样的晶体管具有源极和漏极之间的固有二极管。代替mosfet晶体管，可以使用双极型晶体管。在这种情况下，二极管将必须以与图1所示的体-漏极二极管9、11对应的方式被提供在发射极和集电极之间。图2示出三个曲线a、b和c，它们是电路中的信号处理和较低电势支路15之间的典型的电压曲线。标为t1-t3的垂直线表示电路中发生不同事件的时间点。
曲线a示出较低电势支路15所涉及的输入端子21上的信号。在第一时间点t1，相对于较低电势支路15的正向信号被施加到输入端子21。在第三时间点t3，输入端子21上的信号再次变为负。
曲线b示出相对于较低电势支路15的n沟道mosfet5和p沟道mosfet 7的栅极上电压。在第一时间点t1，当较低电势支路15所涉及的正向信号被施加到输入端子21时，电容器23通过电阻器17开始充电，产生正向斜率。达到n沟道mosfet 5的导通阈值所花费的时间被称为空载时间(dead time)。在第二时间点t2，当达到n沟道mosfet5的导通阈值时它开始导通。电容器23现在将充当正反馈单元并且自举比输入端子21上的信号更高的正电压回到n沟道mosfet 5栅极并且使其完全饱和至正支路13。这将缩短开关时间，因此对于动力开关3的栅极，观测到较低电势支路和n沟道mosfet 5的栅极之间的很急剧的正向信号。全饱和的信号将可获得，只要电容器23不通过电阻器17放电太多。在第三时间点t3，输入端子21上的信号变为负并且连同体-漏极二极管11、19一起将在n沟道mosfet 5的栅极上产生负向电压，二极管19加速该过程。
当p沟道mosfet 7达到其导通阈值时它开始导通并且电容器23现在将充当正反馈单元并且自举相对于输入端子21处的负信号的负电压回到p沟道mosfet 7栅极并且使其完全饱和至负支路15。这将缩短开关时间，因此对于动力开关3的栅极，观测到较高电势支路13和p沟道mosfet 7的栅极之间的很急剧的负向信号。
曲线c示出较低电势支路15所涉及的功率开关3的栅极处的信号。可以看出，在第二时间点t2，功率开关3的栅极电压即来自驱动电路1的输出电压急剧增加并且停留在高电平直到第三时间点t3，此时输入端21上的信号变低。
如将理解的，图2所示的信号是理想信号。在现实中，信号变高或变低需要一定的时间量。然而，使用根据本发明的驱动电路，与现有技术相比显著减少了这些时间。

Claims (6)

1. 一种用于动力开关元件（3）的驱动电路（1），所述驱动电路包括：
用于接收驱动脉冲的输入端子（21）；
第一半导体元件（5）和第二半导体元件（7），每个半导体元件（5，7）具有可控端子、电压放大端子和电流放大端子，所述第一和第二半导体元件的电流放大端子被互连，第一半导体元件（5）的电压放大端子被连接到第一功率轨（13）而第二半导体元件（7）的电压放大端子被连接到第二功率轨（15），第一功率轨（13）的电势比第二功率轨（15）的电势高，第一和第二半导体元件的可控端子被互连；
电阻器（17）和第一二极管（19），并联连接在所述可控端子和输入端子（21）之间；以及
电容器（23），连接在所述可控端子和所述电流放大端子之间，
其中每个所述半导体元件（5，7）具有连接在其电流放大端子和其电压放大端子之间的第二二极管（9，11）。
2. 根据权利要求1的驱动电路，其中第一和第二半导体元件（5，7）是金属氧化物半导体场效应晶体管，可控端子是金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极，电压放大端子是漏极以及电流放大端子是源极，并且第二二极管（9，11）是为金属氧化物半导体场效应晶体管所固有的体-漏极二极管。
3.根据权利要求1的驱动电路，其中第一和第二半导体元件（5，7）是双极型晶体管，可控端子是晶体管的基极，电压放大端子是集电极以及电流放大端子是发射极，并且提供单独的第二二极管（9，11）。
4. 根据权利要求1的驱动电路，其中第一和第二半导体元件是绝缘栅双极型晶体管，可控端子是晶体管的栅极，电压放大端子是集电极以及电流放大端子是发射极，并且提供单独的第二二极管（9，11）。
5. 根据权利要求1-4中任一项的驱动电路，其中第二功率轨（15）是中性的以及第一功率轨（13）具有正电势。
6. 根据权利要求1-4中任一项的驱动电路，其中第一功率轨（13）是中性的以及第二功率轨（15）具有负电势。
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