CN109997303B - 开关驱动器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于驱动开关的驱动器。驱动器包括用于感测驱动电压的电压传感器和提供具有驱动值的驱动信号的电源。驱动器适于基于驱动电压调节驱动值，以限制流过开关的开关电流。驱动器适于将驱动值设置为第一电平；以及在识别出驱动电压已经达到第一目标值时将驱动值降低到第二电平。

Description

开关驱动器
技术领域
本公开涉及用于驱动开关的装置和方法。具体地，本发明涉及用于驱动功率晶体管的驱动器。
背景
诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)的晶体管器件在各种各样的应用中被使用。特别地，IGBT晶体管提供快速开关、高电流和高电压能力，使得这种晶体管理想地适用于开关模式功率转换应用。
晶体管通常使用连接到晶体管的驱动器来操作。例如，大多数IGBT晶体管具有被称为栅极、集电极和发射极的三个端子。IGBT晶体管的导通或截止状态可以通过经由栅极驱动器电路调制栅极-发射极电压VGE来控制。当跨VGE的电压超过阈值电压Vth时，IGBT可以处于导通状态(闭合)，允许电流(也称为开关电流)流过集电极和发射极端子。同样，当跨VGE的电压低于Vth时，IGBT可以被置于截止状态(断开)，并且晶体管不导通。
晶体管可以使用称为硬和软的不同导通方法来操作。当利用硬导通驱动晶体管时，VGE在栅极电压VG大于Vth时为正。当利用软导通驱动晶体管时，VGE在栅极电压VG大于Vth时为负。
利用硬导通驱动晶体管可能导致大的集电极电流IC尖峰。当VCE足够高，例如大于5V时，晶体管的饱和电流是VGE的函数。VGE中的小变化会导致IC中的大变化。例如，当VGE＝9V时，IC大约为25A，而VGE>12V时，电流IC可以超过100安培。这种大的IC尖峰会降低晶体管本身的或电路中存在的其他部件的可靠性，特别是如果IC超过安全脉冲集电极电流额定值。另外，大而快的电流尖峰会增加电磁干扰。
为了解决这些缺点，已经实施了软导通技术。然而，这些技术具有相对较低的效率，并且需要额外的部件，这增加了电路的成本和复杂性。本公开的目的是解决上述限制中的一个或更多个。
概述
根据本公开的第一方面，提供了一种驱动包括驱动端子的开关的方法，该方法包括：向驱动端子施加具有驱动值的驱动信号；感测驱动端子的驱动电压；以及基于驱动电压调节驱动值以限制流过开关的开关电流；该方法包括将驱动值设置为第一电平；以及在识别出驱动电压已经达到第一目标值时将驱动值降低到第二电平。
例如，驱动信号可以是具有电流值的驱动电流，或者具有电压值的驱动电压。
可选地，开关包括阈值电压，高于该阈值电压时，开关开始传导开关电流；并且其中第一目标值大于阈值电压。例如，第一目标值可以在阈值电压和轨电压之间的范围内。
可选地，开关包括与寄生电流相关联的寄生电容器；并且其中第二电平被调节以保持驱动电压基本恒定，只要寄生电流为正。例如，驱动电压可以在第一目标值附近基本恒定。
第二电平可以被调节到寄生电流。反馈周期可以改变寄生电流，直到第二电平等于寄生电流。例如，寄生电流可以是米勒(Miller)电流。
可选地，当驱动电压增加到高于第一目标值时，寄生电流为零。
可选地，该方法包括在识别出驱动电压已经达到第二目标值时将驱动值增加到第三电平。
可选地，第三电平可以大于第一电平。
可选地，第二目标值大于阈值电压。例如，第二目标值可以大于第一目标值。
根据本公开的第二方面，提供了一种用于驱动开关的驱动器，该驱动器包括电压传感器，其用于感测驱动电压；电源，其用于提供具有驱动值的驱动信号；该驱动器适于基于驱动电压调节驱动值，以限制流过开关的开关电流；驱动器适于将驱动值设置为第一电平；并且在识别出驱动电压已经达到第一目标值时将驱动值降低到第二电平。
例如，电源可以是用于提供驱动电流的电流源或用于提供驱动电压的电压源。
可选地，驱动器适于将驱动值设置为第一电平；并且在识别出驱动电压已经达到第一目标值时将驱动值降低到第二电平。
可选地，当识别出驱动电压已经达到第二目标值时，驱动器可以适于将驱动值增加到第三电平。
可选地，开关包括阈值电压，高于该阈值电压时，开关开始传导开关电流；并且其中第一目标值大于阈值电压。
可选地，第二目标值大于阈值电压。例如，第二目标值可以大于第一目标值。
可选地，第三电平大于第一电平。
可选地，开关包括与寄生电流相关联的寄生电容器；并且其中第二电平基本上等于寄生电流。例如，寄生电流可以是米勒电流。
可选地，当驱动电压增加到高于第一目标值时，寄生电流为零。
根据本公开的第三方面，提供了一种包括耦合到开关的驱动器的电路；其中该驱动器可以是根据本公开的第二方面的任何驱动器。
描述
在下面通过示例并参考附图来更详细地描述本公开，在附图中：
图1是根据现有技术的谐振变换器电路的图示；
图2是示出了根据图1的现有技术的电路的工作的时序图；
图3是用于驱动开关的方法的流程图；
图4是用于实现根据图3的方法的电路的图示；
图5是根据图4的电路的示例性实施例；
图6是示出了图5的电路的工作的时序图；
图7是针对不同的集电极-发射极电压值获得的晶体管的寄生电容的测量结果；
图8是示出IGBT晶体管的导通的时序图；
图9是用于在图5的电路中使用的电压监视器；
图10是示出图9的电压监视器的工作的真值表。
图1示出了根据现有技术的电路100的图示。电路100包括连接到用于操作谐振功率转换器130的IGBT晶体管120的图腾柱驱动器110。箝位电路140连接到晶体管120的栅极。信号发生器105分别向驱动器110和箝位电路140提供逻辑信号PWM和PWM1。箝位电路140包括BJT晶体管Q1、齐纳二极管Z1和电阻R1。晶体管Q1具有经由齐纳二极管Z1连接到晶体管120的栅极的漏极、连接到信号发生器105的栅极以及连接到地的源极。箝位电路140用于将电压VGE限制到9V，允许将电流Ic保持在30A以下。
图2示出了信号PWM 210、PWM1 220和栅极电压VG 230的波形。使用PWM1信号220实现软导通。当PWM信号210为高(5V)且PWM1信号220为低(0V)时，栅极电压VG为18V。然而，当PWM和PWM1信号都为高(5V)时，栅极电压VG下降50％至9V。
通过利用软导通驱动功率晶体管120，Ic被限制为30安培。然而，这种方法需要对于箝位电路140的附加部件，因此增加了制造成本。另外，图2的电路具有相对低的效率。当信号PWM1 220为高时，大约200mA或更高的电流通过齐纳二极管Z1。因此，该系统消耗了相对大量的能量。另外，信号PWM1 220必须保持为高(逻辑一)足够长，以避免大的Ic尖峰的生成。如果PWM1信号在晶体管120的集电极-发射极电压VCE达到零伏之前为低(逻辑0)，则可能出现大的Ic尖峰。相反，如果PWM1信号在VCE已经达到零伏之后为低，则由于低VCE，晶体管120的大的导通电阻RON导致更多的导通损耗。
图3是操作包括驱动端子的开关的方法的流程图。在步骤310处，具有驱动值的驱动信号被施加到驱动端子。例如，驱动信号可以是具有电流值的驱动电流；或者是具有电压值的驱动电压。在步骤320处，感测驱动端子的驱动电压。在步骤330处，基于驱动电压调节驱动值，以限制流过开关的开关电流。
该方法可以应用于不同类型的开关，包括双极晶体管、MOSFET晶体管和IGBT晶体管。所提出的方法允许以更高的效率和可靠性驱动开关。这种方法可以在不过度增加系统复杂性的情况下实现。
图4是用于实现根据图3的方法的电路400的图示。电路400包括连接到功率开关420的驱动器410。功率开关420耦合到功率电路430。功率开关420和功率电路430可以形成开关转换器，诸如谐振功率转换器、降压、升压或降压升压转换器。根据转换器的拓扑结构，功率开关420可以以不同方式耦合到功率电路430。
功率开关420具有被称为第一、第二和第三的三个端子。第一端子(也称为驱动端子)用于打开(闭合)或关闭(断开)功率开关。第二和第三端子被提供以将功率开关耦合到功率电路430。功率开关420可以是功率晶体管，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极结型晶体管(BJT)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
驱动器410包括用于提供驱动信号的电源412、用于感测驱动端子处的驱动电压的电压传感器414以及用于监测驱动电压并基于驱动电压调节驱动信号的值的调节器415。例如，电源412可以是提供驱动电流的电流源或提供驱动电压的电压源。电压传感器414和调节器415可以形成电压监视器。例如，调节器415可适于将驱动电压与一个或更多个目标值进行比较，并向电源412提供控制信号以调节驱动值。调节器415具有耦合到电压传感器414的输入端和耦合到电源412的输出端。电压传感器414具有耦合到驱动端子的输入端和耦合到调节器415的输出端。电压传感器414可以放大和/或过滤感测的电压。可选地，电压传感器可以由驱动端子和调节器415之间的单个连接代替。通过调节驱动值，流过功率开关的开关电流可以保持在最大值以下。
图5是用于实现图4的图示的示例性电路500。电路500包括耦合到功率开关520和功率电路530的驱动器510。
在这个示例中，功率开关520是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，然而，功率开关520可以被另一种类型的晶体管代替。晶体管520具有例如栅极端子的第一端子、例如集电极端子的第二端子以及例如发射极端子的第三端子。晶体管520具有三个寄生电容器522、524和526。第一寄生电容器522具有电容Cies并且位于第一(栅极)端子和第三(发射极)端子之间。第二寄生电容器524具有电容Cres并且位于第一(栅极)端子和第二(集电极)端子之间。第三寄生电容器526具有电容Coes并且位于第二(集电极)端子和第三(发射极)端子之间。
驱动器510包括由在节点A处耦合到第二晶体管512的第一晶体管511形成的级。第一晶体管511具有第一端子(例如，耦合到轨电压Vcc的源极端子)、第二端子(例如，耦合到节点A的漏极端子)。晶体管511具有第三端子，例如用于接收标记为pwmb2的第一驱动信号的栅极端子。第二晶体管512具有第一端子(例如，耦合到节点A的漏极端子)、第二端子(例如，耦合到地的源极端子)。晶体管512具有第三端子，例如用于接收标记为pwmb0的第二驱动信号的栅极端子。第一晶体管513具有：第一端子，例如，经由可变电流源516耦合到轨电压Vcc的源极端子；第二端子，例如，耦合至节点A的漏极端子；以及第三端子，例如，用于接收标记为pwmb1的第三驱动信号的栅极端子。
电压监视器514具有耦合到晶体管520的第一(栅极)端子的输入端和耦合到可变电流源516的输出端。电压监视器514适于识别驱动电压何时达到特定目标值。监视器514可以包括多个比较器。例如，监视器可以包括用于将VG与第一目标值进行比较的第一比较器，以及用于将VG与第二目标值进行比较的第二比较器。可选地，可以在第一端子和地之间提供与电阻518并联耦合的齐纳二极管517，以保护IGBT晶体管520。
功率电路530包括耦合到电容器534的电感器532。电感器532可以由电感Lcoil、电阻Req和电容Ccoil表示。电感器532具有耦合到晶体管的集电极端子的第一端子和经由电容器534耦合到发射极端子的第二端子。
图6是示出了图5的电路的工作的时序图。时序图显示了逻辑信号pwmb2 602、pwmb1 604、pwmb0 606和PWM 610的时间演化。逻辑信号PWM 610是pwmb0 606的反信号。时序图还描绘了驱动电流620、驱动电压630、集电极电流640和晶体管第二和第三端子之间的电压VCE 650。
功率晶体管520使用标记为P1到P5的五个阶段来导通。在时间t0处，逻辑信号610变为高，例如从逻辑0变为逻辑1。驱动器510将驱动电流620从初始电平I0增加到第一电平I1。可变电流源516被设置为I1，并且晶体管MP2 513导通(闭合)，而晶体管MP1 511和MN1512截止(断开)。栅极电压VG 630开始增加。晶体管520的第二和第三端子之间的电压VCE为正，例如310伏。
在时间t0和t1之间，也称为阶段P1，驱动电流I1对第一寄生电容器522和第二寄生电容器524充电，并且电压VGE从0V上升到Vth。集电极电流Ic 640等于零。
电流电平I1应该足够大以将栅极电压VG增加到第一目标值V1。然而，电流I1不应太大，以避免VG过冲超过V1太多，这可能导致电流Ic中不希望的变化。任何过冲都不应超过第二目标值V2。I1的值将取决于晶体管520的特性。例如，I1的范围可以在约10mA至约60mA之间。
在时间t1处，VG达到功率晶体管520的阈值电压Vth。集电极电流Ic开始从最小值(例如0安培)增加，电压VCE 650开始从最大值(例如310V)减少。
在时间t1和t2之间，也称为阶段P2，驱动电流I1继续对第一和第二寄生电容器充电，并且VGE从Vth上升到V1。电流Ic 640作为晶体管的栅极和发射极端子之间的电压VGE的指数函数增加。电压VCE 650以由下式定义的斜率减小：
Figure GDA0002772995510000071
其中，CCoil是电感器532的电容。随着电压VCE 650降低，米勒电流IMiller通过第二寄生电容器524从栅极端子下沉到集电极端子。米勒电流IMiller，可以表示为：
Figure GDA0002772995510000081
在时间t2处，VG 630达到第一目标电压V1，并且电流Ic 640达到最大值，例如25安培。驱动器510将驱动电流620从第一电平I1减小到第二电平I2。可变电流源516被设置到I2。晶体管MP2 513保持导通(闭合)，而晶体管MP1和MN1截止(断开)。在时间t2处，第二电平I2可以基本上等于米勒电流IMiller。如果I2在时间t2处等于IMiller，则电压VGE保持在V1附近。然而，在时间t2处第二电平I2也可以略小于或略大于米勒电流IMiller。反馈循环：VGE→Ic→dVCE/dt→IMiller→VGE，允许调节电流IMiller。例如，如果I2小于IMiller，则电压VGE开始下降，结果Ic下降，dVCE/dt下降，并且IMiller下降。因此，负反馈回路调节IMiller直到IMiller等于I2，然后将VGE设置为稳定值。类似地，如果I2大于IMiller，则IMiller增加直到IMiller等于I2。因此，晶体管520提供的负反馈允许电压VG在时间t2和t3之间的阶段P3期间保持相对平坦。
在时间t2和t3之间，栅极电压630从V1降低到大于Vth的值。随着VGE减小，电流Ic640减小。电流IMiller是Ic的函数(见等式2)。如上所解释，随着Ic降低，IMiller降低，直到IMiller等于I2。电压VCE 650持续下降到零。一旦VCE等于零，则米勒效应就结束并且IMiller等于零。VCE降低期间的阶段P2和P3可以被称为米勒阶段。
在时间t3处，电压VCE 650为空。电流驱动保持在电平I2处。栅极电压VG 630再次增加，指示米勒阶段的结束(IMiller＝0)。
在时间t4处，电压VG达到第二目标值V2，也称为触发电压，因为它触发驱动电流的增加以使VG达到轨电压Vcc。驱动器510将驱动电流从电平I2增加到电平Imax。驱动器510导通(闭合)晶体管MP1 511，以便尽可能快地将电压VG上拉至Vcc。晶体管MN1保持截止(断开)，而晶体管MP2可以导通或截止。这减少了传导损耗，且提高了效率。
在时间t4和t5之间，其也被称为阶段P5，驱动电流从电平Imax降低到初始电平I0。栅极电压VG从V2增加到轨电压Vcc。电流Ic增加到某个值，例如20安培。在时间t5处，逻辑信号610从高值变为低值。栅极电压VG减小到零，且电流Ic减小到零。
通过在米勒阶段期间调节驱动电流，米勒效应可用于将VGE保持在某个值以下，从而将电流Ic限制在安全电平，例如低于30安培。一旦米勒阶段结束，则驱动电流可以将栅极端子充电到触发电压，以将VGE上拉至轨电压Vcc。由于IMiller在米勒阶段结束时消失，因此不需要额外的检测电路。驱动器可以自动完成软驱动，并将VGE上拉到VCC，以减少传导损耗。所提出的方法允许安全地转变功率开关，而不增加部件的数量或驱动器的复杂性。例如，不需要附加电路来箝位栅极电压。
图7示出了对于不同的VCE值的第一寄生电容器522、第二寄生电容器524和第三寄生电容器526的电容值Cies、Cres和Coes。对于在1MHz、VGE＝0V且温度为25摄氏度处操作的IGBT晶体管，获得了结果。当VCE下降时，电容Cres增加。对于低于10V的VCE值，这种增加更加明显。Cres的这种增加导致电流IMiller显著增加。结果，驱动电流可能显著小于IMiller，并且驱动电压可能在米勒阶段期间降低到V1以下。如果是这种情况，则驱动电流可以瞬间增加，以将驱动电压VG增加回V1。图6中虚线所示的电流电平I3说明了这种情景。
图8示出了特定IGBT晶体管的驱动信号810、驱动电流820、驱动电压830、集电极电流840和电压VCE 850。对于这个特定的IGBT晶体管，当VCE下降到10V以下时，驱动电压VG系统地下降到值V3。已知值V3，当VG达到目标值V3时，完全上拉电压VG是可能的。在时间t3处，VG等于V3，并且驱动器510增加驱动电流以将VG快速充电到Vcc。
图9显示了对于图5的监视器514的可能实施例。电路900包括耦合到调节器920的电压传感器910。电压传感器910由电阻R0911、R1912、R2913、R3914形成。电阻R0和R1与R2和R3并联耦合。第一滤波器915具有在节点A处耦合到R0和R1的输入端和用于提供第一感测电压vsn1的输出端。第二滤波器916具有在节点B处耦合到R2和R3的输入端和用于提供第二感测电压vsn2的输出端。
调节器920包括第一比较器922、第二比较器924、诸如逻辑单元926的存储器设备和模拟多路复用器928。第一比较器922具有耦合到模拟多路复用器928的第一输入端、耦合到滤波器915的第二输入端和耦合到逻辑单元926的输出端。第二比较器924具有耦合到参考电压Vref2的第一输入端、耦合到第二滤波器916的第二输入端和耦合到逻辑单元926的输出端。
模拟多路复用器928具有耦合到第一参考电压Vref1的第一输入端、耦合到第三参考电压vref3的第二输入端以及耦合到第一比较器922的输出端的也被称为控制输入端的第三输入端。逻辑单元926具有用于接收来自第一比较器922的输出信号Th1的第一输入端、用于接收来自第二比较器924的输出信号Th2的第二输入端以及用于向诸如电流源的电源提供控制信号的输出端。
图10显示了用于图9的电路的真值表。第一和第二比较器的输出信号Th1和Th2可以是高(逻辑1)或低(逻辑0)。当Th1为低时，模拟多路复用器选择Vref1，而当Th1为高时，模拟多路复用器选择Vref2。当输出信号Th1和Th2都为低时，逻辑单元提供控制信号以将驱动信号调节到电平I1或电平I3。当Th1为高而Th2为低时，逻辑单元提供控制信号以将驱动信号调节到电平I2。当Th1为低而Th2为高时，逻辑单元提供控制信号以将驱动信号调节到电平Imax，也称为完全上拉。
本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的情况下，所公开的布置的变化是可能的。因此，仅通过示例的方式而不是为了限制的目的做出具体实施例的以上描述。技术人员将清楚，在没有显著改变的情况下，可以对所描述的操作进行微小的修改。

Claims (19)

1.一种驱动开关的方法，所述开关包括驱动端子和与寄生电流相关联的寄生电容器，所述方法包括以下步骤：
将具有驱动值的驱动信号施加到所述驱动端子；
感测所述驱动端子的驱动电压；以及
基于所述驱动电压调节所述驱动值，以限制流过所述开关的开关电流；
所述方法还包括将所述驱动值设置为第一电平；以及在识别出所述驱动电压已经达到目标值时将所述驱动值调节到另一电平以调节所述寄生电流。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在识别出所述驱动电压已经达到第一目标值时将所述驱动值降低到第二电平。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述开关包括阈值电压，高于所述阈值电压时，所述开关开始传导所述开关电流；并且其中所述第一目标值大于所述阈值电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，只要所述寄生电流为正，所述另一电平被调节以保持所述驱动电压基本恒定。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，当所述驱动电压增加到高于所述第一目标值时，所述寄生电流为零。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在识别出所述驱动电压已经达到第二目标值时将所述驱动值增加到第三电平。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第三电平大于所述第一电平。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述开关包括阈值电压，高于所述阈值电压时，所述开关开始传导所述开关电流；并且其中，所述第二目标值大于所述阈值电压。
9.一种用于驱动开关的驱动器，所述开关包括与寄生电流相关联的寄生电容器，所述驱动器包括
电压传感器，其用于感测驱动电压；
电源，其用于提供具有驱动值的驱动信号；
所述驱动器适于基于所述驱动电压调节所述驱动值，以限制流过所述开关的开关电流；
其中，所述驱动器适于将所述驱动值设置为第一电平；以及在识别出所述驱动电压已经达到目标值时将所述驱动值调节到另一电平以调节所述寄生电流。
10.根据权利要求9所述的驱动器，包括耦合到所述电压传感器和所述电源的调节器，所述调节器适于将所述驱动电压与第一目标值和第二目标值中的至少一个进行比较，并基于所述比较提供信号来调节所述驱动值。
11.根据权利要求10所述的驱动器，其中，在识别出所述驱动电压已经达到所述第一目标值时将所述驱动值降低到第二电平。
12.根据权利要求10所述的驱动器，其中，所述驱动器适于在识别出所述驱动电压已达到所述第二目标值时将所述驱动值增加到第三电平。
13.根据权利要求10所述的驱动器，其中，所述开关包括阈值电压，高于所述阈值电压时，所述开关开始传导所述开关电流；并且其中所述第一目标值大于所述阈值电压。
14.根据权利要求13所述的驱动器，其中，所述第二目标值大于所述阈值电压。
15.根据权利要求12所述的驱动器，其中，所述第三电平大于所述第一电平。
16.根据权利要求10所述的驱动器，其中，只要所述寄生电流为正，则所述调节器适于调节所述另一电平以保持所述驱动电压基本恒定。
17.根据权利要求11所述的驱动器，其中，所述第二电平基本上等于所述寄生电流。
18.根据权利要求11所述的驱动器，其中，当所述驱动电压增加到高于所述第一目标值时，所述寄生电流为零。
19.一种包括耦合到开关的驱动器的电路，其中，所述驱动器根据权利要求9来提供。
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