CN103178693B - 具有电流变压器的比例偏置开关驱动器电路 - Google Patents

具有电流变压器的比例偏置开关驱动器电路 Download PDF

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Abstract

提供了一种开关偏置系统，其包括：双极结型晶体管(BJT)开关，其包括基极、发射极和集电极；能量储存电路，其被连接到所述BJT的所述集电极，所述能量储存电路向所述BJT的所述集电极供应电流；电流变压器电路，其被连接到所述发射极上，所述电流变压器电路被配置为对流经所述BJT开关的发射极的电流进行传感；以及比例偏置电路，其被配置为向所述BJT开关的基极产生偏置电流，所述偏置电流被设定成与被传感到的流经所述BJT开关的发射极的电流成一比例。

Description

具有电流变压器的比例偏置开关驱动器电路
技术领域
本申请涉及开关驱动器电路，更具体地涉及具有电流变压器的比例偏置开关驱动器电路(proportional bias switch driver circuit)。
背景技术
开关模式电源(Switched mode power supply，SMPS)，例如降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器和反激转换器执行交流(AC)到直流(DC)的转换以及DC到DC的转换，电压电平从输入到输出变换。此类电源转换器一般使用诸如双极结型晶体管(bipolarjunction transistor，BJT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxidesemiconductor field effect transistor，MOSFET)之类的开关器件，其中开关频率(switching frequency)和脉冲宽度受到调制，以控制转换器的工作参数。
在转换器的设计中使用BJT取代MOSFET能使较高电压(例如高于700伏特)的应用中的效率提高并使成本降低。但是BJT一般具有比MOSFET更慢的开关速度(switchingspeed)，因此不能工作在一些应用所要求的较高频范围内。BJT也要求对栅极驱动偏置的更大控制，以降低开关损耗，饱和损耗和储存时间，这样的控制是很难实现的。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种电路模块，包括：
双极结型晶体管(BJT)开关，其包括基极、发射极和集电极，所述BJT被配置为向连接到所述BJT的所述集电极上的器件提供比例驱动电流；
电流变压器，其包括第一端口和第二端口，所述第一端口连接到所述BJT的所述发射极，所述电流变压器电路被配置为对流经所述器件的电流进行传感；以及
电阻器，其连接在所述第二端口和所述BJT的所述基极之间，所述电阻器被配置为控制在所述BJT的所述发射极和所述基极之间的电流。
根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括：
选择性地操作双极结型晶体管(BJT)开关以控制电流，所述BJT开关包括基极、发射极和集电极；
使用连接到所述BJT的所述发射极上的电流变压器来对流经所述BJT开关的所述发射极的电流进行传感，所述电流变压器被配置为对电流进行传感；以及
向所述BJT开关的所述基极产生偏置电流，所述偏置电流被维持成与被传感到的流经所述BJT开关的所述发射极的所述电流成一比例。
根据本发明的又一方面，提供了一种系统，包括：
双极结型晶体管(BJT)开关，其包括基极、发射极和集电极；
能量储存电路，其被连接到所述BJT的所述集电极上，所述能量储存电路向所述BJT的所述集电极提供电流；
电流变压器电路，其被连接到所述发射极上，所述电流变压器电路被配置为对流经所述BJT开关的所述发射极的电流进行传感；以及
比例偏置电路，其被配置为向所述BJT开关的所述基极产生偏置电流，所述偏置电流被设定成与被传感到的流经所述BJT开关的所述发射极的所述电流成一比例。
附图说明
所要求的主题的实施例的特征和优点将随着以下详细说明并参考附图而变得明显。附图中相似的附图标记描述相似的部分，其中：
图1示出了根据本申请的一示例性实施例的系统框图；
图2示出了根据本申请的另一示例性实施例的系统框图；
图3示出了根据本申请的一示例性实施例的电路图；
图4示出了根据本申请的另一示例性实施例的电路图；并且
图5示出了根据本申请的一示例性实施例的操作的流程图。
虽然以下详细说明将参考示意性实施例进行，但是本领域的技术人员将明了其中的许多替换方案、修改和变型。
具体实施方式
总的来说，本申请提供了用于向SMPS驱动器电路中的BJT开关供应比例偏置电流的电路、系统和方法，所述偏置与流经BJT开关的电流成比例。向BJT开关提供固定的比例偏置电流能改善饱和度，降低储存时间并提高BJT开关的效率。可以基于连接到BJT开关的发射极上的电流变压器来产生比例偏置电流。在一些实施例中，比例偏置驱动器可以用于向碳化硅(SiC)开关或发射极切换BJT/MOSFET共源共栅开关(emitter switched BJT/MOSFETCascode switch)(ESBCTM，快捷半导体公司的商标)提供偏置。在一些实施例中，比例偏置驱动器可用于向包含BJT或BJT Sic开关的电源开关、马达驱动器或点火开关提供偏置。
图1示出了根据本申请的一示例性实施例的系统框图100。比例驱动器电路102和电流变压器电路112作为SMPS中的组成部分被示出，SMPS被配置为反激转换器，但其它类型的AC-DC或DC-DC转换器也是可用的。这些类型的转换器可以包括开关(例如晶体管Q1/Q2)，开关被选择性地操作，以允许能量被储存在能量储存器件例如感应器或变压器绕组110中，然后被转移到一个或多个输出(例如电容器(图1中未示出))中，所述输出使通向负载的DC输出电压Vout平滑，并在能量储存周期期间向所述负载提供基本连续的能量。储存的能量也可以不加整流或滤波地被用于向负载提供电力。
开关Q1(其为BJT晶体管)的集电极被连接到变压器的初级110的一侧上，输入电压Vin则被连接到变压器的初级110的另一侧上。开关Q1的发射极被连接到电流变压器电路112上，电流变压器电路112则被连接到MOSFET开关Q2的漏极上，使得开关Q1和Q2串联。该配置中BJT开关Q1和MOSFET开关Q2的串联组合可包含ESBCTM开关。共源共栅(cascode)为被配置用来改善输入/输出隔离、工作频率和整体性能的二级放大器。MOSFET开关Q2的源极接地。在一些实施例中，ESBCTM开关可包括与高电压BJT串联的低电压高性能MOSFET。当然，也可以使用其它晶体管技术，例如SiC(碳化硅)等。
BJT开关Q1可被配置用来处理集电极和发射极之间相对较大的电压降。在一些实施例中，该Q1电压可以在由小于1伏特到大于700伏特的范围内变化。而MOSFET开关Q2可被配置用来处理漏极和源极之间相对较小的电压降。在一些实施例中，该Q2电压可以在20伏特至40伏特的范围内。因此ESBCTM开关可有利地被用于更高或范围更广的电压开关应用中。
对开关Q2的开关时间的控制是通过栅极驱动信号106提供的，栅极驱动信号106由电源控制器电路104供应。在一些实施例中，电源控制器电路104可以是由快捷半导体公司销售的FAN7601控制器。电源控制器电路104调制栅极驱动信号106，以使开关Q2接通和关断，从而调节流经Q1和Q2的电流。所述调制可以是频率调制、脉冲宽度调制或任何其它适合的调制类型。
MOSFET开关Q2一般能有比BJT开关Q1更高的开关速率，因此将Q1和Q2串联组合为ESBCTM开关有利地提供了增大的开关速度并提高了电压处理能力。不过，为了使ESBCTM开关能高效地工作，可以响应于变化的负载情况来动态地控制对开关Q1的偏置。比例驱动器电路102通过监控由电流变压器电路112产生的电流传感反馈并调节对开关Q1的偏置信号108，使所述偏置信号被维持成与流经Q1的电流成一比例，来提供所述动态控制。所述比例可以基于电流变压器电路112的绕组匝数比来设定。通过为比例偏置选择适合的绕组匝数比(其依赖于开关Q1的工作参数)，可使所述开关的性能最优化：储存时间、开关损耗和饱和损耗降低了，并且效率提高了。
图2示出了根据本申请的另一示例性实施例的系统框图200。图2显示了附加有可选的辅助电流处理器电路202的图1的系统100。如以下将更详细地加以解释的，辅助电流处理器电路202提供了能增加电流处理能力的一个或多个附加的切换电流路径(switchedcurrent flow path)。图2还示出了可使用单个驱动器来为多个电流处理器设定偏置，从而降低整个系统的成本，因为不必针对每个电流处理器去复制驱动器。
图3示出了根据本申请的一示例性实施例的电路图300。比例驱动器电路102被更详细地示出，包括晶体管Q3、电阻器R1、R2、电容器C1和二极管D1。还示出了电流变压器T2112。虽然本实施例使用BJT和/或MOSFET，但BJT和MOSFET的任何组合均可用于实现这一功能。
首先，当系统接通时，来自电源控制器电路104的栅极驱动106处在低位，没有电流流经Q1、Q2、Q3或变压器T1的初级110。施加电源电压Vcc时，电容器C1通过电阻器R1被充电至电压电平Vcc。Vcc可以是源自于输入电压Vin。当Vcc到达电源控制器电路104所要求的启动电压时，第一栅极驱动脉冲106被产生并将开关Q2接通。当开关Q2接通时，Q2的漏极处的电压下降，将开关Q1的基极-发射极结正向偏置，使开关Q1接通。这在变压器T1110和T2112两端均产生电压降。对开关Q1的初始基极-发射极驱动电流由电容器C1提供。
当电流开始从Vin流经变压器T1时，由于开关Q1和Q2接地，电流也开始流经变压器T2，从而在绕组2(W2)两端产生电压降。该电压基于绕组2与绕组1的匝数比(W2/W1)而被升高。在一些实施例中，并作为示例而言，绕组1可以为24匝(24T)并且绕组2可以为7匝(7T)。24匝绕组与7匝绕组同相连接，使得7匝绕组两端的1伏特电压降在24匝绕组两端产生3.43伏特电压降，该3.43伏特电压降累加到7匝绕组两端的电压上。这样，总共4.43伏特会被施加在开关Q3的发射极和开关Q2的漏极之间。7匝绕组上的电压在与开关Q1的发射极相连处为正，并且在与开关Q2的漏极相连处为负。施加在开关Q3的发射极上的正电压对抗通过电阻器R2施加在开关Q3的基极上的电压而接通开关Q3。电阻器R2限制用于开关Q3的基极-发射极电流。
当开关Q3处于导通状态时，变压器T2与开关Q1的基极电连接起来。这钳制了变压器T2两端可能存在的最大电压。BJT的基极-发射极电压约为0.7伏特。典型的电阻性电压降的附加则将上述电压升高为总共约0.8伏特。开关Q3两端的电压增加变压器T2上的许可电压，并依赖于开关Q3的导通和驱动电流。如果开关Q3两端的电压降被限制在0.2伏特，并且开关Q1的发射极-基极结两端的电压为0.8伏特，则变压器T2两端的总电压将为1伏特。假定变压器的芯不饱和，并且用于缠绕变压器的导线的电阻具有零阻抗的话，则该电压将基于匝数比(W2/W1)被分布在变压器T2两端。这样，在从Q3的发射极到Q2的漏极的变压器T2两端的电压降为1伏特的情况下，从Q1的发射极到Q2的漏极的电压降将为0.226伏特。
对变压器T2两端的电压的钳制限制了变压器的芯的磁饱和，对于给定的芯尺寸，这允许所述芯携带更多的电流。钳制还降低了芯的恢复时间，以允许更快的开关。此外，钳制使变压器以电流模式而非电压模式工作，这进一步提高了变压器的速度，因为所要求的匝数更少了，这降低了电感。
电阻器R1的值可以被设定得相对较高，因为一旦开始ESBC开关的导通的话，对开关Q1的偏置是源自于电流变压器T2和相关线路。如前所述，电容器C1的充电开启了ESBC开关的初始导通。当来自电源控制器电路104的栅极驱动变低时，开关Q2则被关断。当开关Q2关断时，开关Q1的发射极被打开，并且流经Q1的电流通过Q1的基极被放电，从而反向偏置Q1的发射极-基极，并将电容器C1重新充电。开关Q3上的最大电压被二极管D1钳制到位于Vcc之上的一个二极管结电压。这样，关断电流使电容器C1重新充电，并且为任何Vcc电源储存电容器增加电荷，从而节省了电力。
如前所述，变压器T2以电流模式工作。变压器T2的匝数比(W2/W1)将用于开关Q1的电流驱动电平设定为与开关Q1的发射极电流成比例。这样，发射极电流和基极驱动电流之间存在对应关系，这提供了BJT开关Q1的改善的偏置。BJT为小电流器件，因此在被适当偏置时具有更快的开关速度。理想地，它们应该用不超过产生所希望的饱和度所需的偏置电流的偏置电流来驱动。对于任何给定电平的导通的偏置越大，用来关闭BJT所需的时间就越长，因为在关闭时载流子需要从器件迁移出去，而这需要时间。该效应称为储存时间。
Q1开关电流电平在发射极处被传感，以降低电流变压器设计的成本、尺寸和复杂度。开关Q1的发射极处的电压相对较低，从而要求更少的变压器T2的绕组绝缘的成本、降低的绕组之间用以避免飞弧的间距、以及更简单的设计。相比之下，集电极上的电压会高得多。变压器可以被缠绕为自耦变压器(其中单个绕组被分为初级部分和次级部分)，并且在一些实施例中可以为单抽头绕组，这能进一步降低制造成本。此外，不要求有初级对次级的绝缘，从而允许进一步降低成本。最后，由于在该方法中匝数以及芯饱和度被降低了，因此可以使用能被经济地大规模生产的环形变压器。
开关Q3在比例驱动器中作为同步整流器工作，以改善驱动器效率。这也允许Q1的发射极在关断后比基极更正，这在Q1上产生反向偏置以供切换到Vcbo电压。
在一些实施例中，开关Q3、电阻器R2和变压器T2可以被集成到单个比例驱动器模块中。在一些实施例中，开关Q3、电阻器R2、变压器T2和ESBC共源共栅开关组合Q1/Q2可以被集成到单个比例驱动器和ESBC开关的组合模块中。
图4示出了根据本申请的另一示例性实施例的电路图400。辅助电流处理器电路202被更详细地示出。辅助电流处理器电路202提供能增加系统的电流处理能力的、穿过与电阻器R4-R7串联的开关Q4-Q7的一个或多个附加的切换电流路径。电阻器R4-R7可以用于平衡所有开关两端的驱动电流。在一些实施例中，开关Q4-Q7可以为BJT开关。辅助电流处理器的使用能允许单个比例驱动器为多个BJT提供驱动偏置，从而降低系统成本。
图5示出了根据本申请的一示例性实施例的操作的流程图500。在操作510处，BJT开关被选择性地操作，以控制电流。BJT开关包括基极、发射极和集电极。在操作520处，流经BJT开关的发射极的电流被连接到BJT开关的发射极上的电流变压器传感到。在操作530处，向BJT开关的基极产生偏置电流。所产生的偏置电流被维持成与被传感到的流经BJT开关的发射极的电流成一比例。
本文所述的方法的实施例可以在包括一个或多个存储介质的系统中被实施，所述介质单独或组合地存储有当被一个或多个处理器执行时进行所述方法的指令。此处，所述处理器可包括例如系统CPU(例如芯处理器)和/或可编程线路。因此，旨在说明根据此处所述的方法的操作可以被分布在几个不同物理位置处的多个物理器件例如处理结构中。此外，还旨在说明所述方法操作可以如本领域普通技术人员会理解的那样以单个或以子组合的方式被进行。因此，并非每个流程图的所有操作均需要被进行，本申请明确指出允许所有按照本领域普通技术人员会理解的这样的操作的子组合。
在另外的实施例中，比例驱动器电路可以使用数字和/或混合信号拓扑来实现。例如，A/D(模拟到数字)转换器可以用于将电流传感电压V1转换为数字号码。然后该数字号码可以被用于产生源于数字的偏置电流。可使用可按照偏置值被数字地取权重的堆叠开关。例如，四个开关将提供16个可能的驱动电平。A/D转换器可以用于将被传感到的电流转换为数字值，并且在一些实施例中，可以利用附加的信号处理。
所述存储介质可包括任何类型的有形介质，例如任何类型的磁盘(包括软盘、光盘、压缩磁盘只读存储器(CD-ROM)、可重写压缩磁盘(CD-RW)、数字多功能碟(DVD)和磁-光碟)、半导体器件例如只读存储器((ROM)、随机存取存储器(RAM)例如动态和静态RAM、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、磁卡或光卡、或适合存储电子指令的任何类型的介质。
本文任何实施例中使用的“线路(Circuitry)”可包含例如单独或任意地组合的硬连线线路、可编程线路、状态机线路和/或存储有由可编程线路执行的指令的固件。
本文使用的用语和措辞意在展示而非限制，而不意在排除所示或所述的特征的任何等价方案(或其部分)，并且认识到权利要求书的范围内有各种可能的修改。相应地，权利要求书涵盖所有这样的等价方案。本文描述了各种特征、方面和实施例。如本领域技术人员会理解的那样，所述特征、方面和实施例可以彼此组合，也可变化和修改。本申请的范围因此应视为包括这样的组合、变化和修改。

Claims (13)

1.一种电路模块，包括：
比例偏置电路，双极结型晶体管BJT开关器件Q1，包括第一端口和第二端口的电流变压器电路，以及金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET开关；
所述比例偏置电路被配置为向所述BJT开关器件Q1的基极产生偏置电流，所述偏置电流被设定成与被传感到的流经所述BJT开关器件Q1的发射极的电流成一比例；
其中，所述比例偏置电路包括：
双极结型晶体管BJT开关Q3，其包括基极、发射极和集电极，所述BJT开关Q3被配置为向连接到所述BJT开关Q3的所述集电极上的所述BJT开关器件Q1提供比例驱动电流；
电阻器，其连接在所述第二端口和所述BJT开关Q3的所述基极之间，所述电阻器被配置为控制在所述BJT开关Q3的所述发射极和所述基极之间的电流；
所述电流变压器电路的所述第一端口连接到所述BJT开关Q3的所述发射极，所述电流变压器电路被配置为对流经所述BJT开关器件Q1的电流进行传感；
所述金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET开关被串联地连接在所述电流变压器电路和接地极之间，所述MOSFET开关被配置为对流经所述BJT开关器件Q1的所述发射极的电流进行切换，所述MOSFET的所述切换由脉冲宽度调制PWM信号控制，所述PWM信号由电源控制器电路提供。
2.根据权利要求1所述的电路模块，其中，所述比例驱动电流与被传感到的流经所述BJT开关器件Q1的所述电流成比例。
3.根据权利要求1所述的电路模块，其中，所述电流变压器电路包括第一绕组和第二绕组，并且其中被传感到的所述电流的所述比例是基于所述第一绕组中的匝数与所述第二绕组中的匝数的比率。
4.根据权利要求1所述的电路模块，其中，所述电流变压器电路为自耦变压器。
5.根据权利要求1所述的电路模块，其中，所述电流变压器电路为环形变压器。
6.根据权利要求1所述的电路模块，其中，所述电路模块与开关模式电源相连。
7.根据权利要求1所述的电路模块，其中，所述电路模块与马达驱动控制器相连。
8.一种开关偏置方法，包括：
选择性地操作双极结型晶体管BJT开关以控制电流，所述BJT开关包括基极、发射极和集电极；
使用连接到所述BJT开关的所述发射极上的电流变压器电路来对流经所述BJT开关的所述发射极的电流进行传感，所述电流变压器电路被配置为对电流进行传感；
向所述BJT开关的所述基极产生偏置电流，所述偏置电流被维持成与被传感到的流经所述BJT开关的所述发射极的所述电流成一比例；
将金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET开关串联地连接在所述电流变压器电路和接地极之间，所述MOSFET开关被配置为对流经所述BJT开关的所述发射极的电流进行切换；以及
其中，所述MOSFET的所述切换由脉冲宽度调制PWM信号控制，所述PWM信号由电源控制器电路提供。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：基于在所述电流变压器电路的第一绕组中的匝数与在所述电流变压器电路的第二绕组中的匝数的比率来确定被传感到的所述电流的所述比例。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：在从小于1伏特至大于700伏特的范围内的电压下操作所述BJT。
11.一种开关偏置系统，包括：
双极结型晶体管BJT开关，其包括基极、发射极和集电极；
能量储存电路，其被连接到所述BJT开关的所述集电极上，所述能量储存电路向所述BJT的所述集电极提供电流；
电流变压器电路，其被连接到所述发射极上，所述电流变压器电路被配置为对流经所述BJT开关的所述发射极的电流进行传感；
比例偏置电路，其被配置为向所述BJT开关的所述基极产生偏置电流，所述偏置电流被设定成与被传感到的流经所述BJT开关的所述发射极的所述电流成一比例；以及
金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET开关，其被串联地连接在所述电流变压器电路和接地极之间，所述MOSFET开关被配置为对流经所述BJT开关的所述发射极的电流进行切换，其中，所述MOSFET的所述切换由脉冲宽度调制PWM信号控制，所述PWM信号由电源控制器电路提供。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述电流变压器电路包括第一绕组和第二绕组，并且其中被传感到的所述电流的所述比例是基于所述第一绕组中的匝数与所述第二绕组中的匝数的比率。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统与开关模式电源相连。
CN201210568049.8A 2011-12-23 2012-12-24 具有电流变压器的比例偏置开关驱动器电路 Active CN103178693B (zh)

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