CN110380599A - 一种混合型栅极驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种混合型栅极驱动电路，其中第一达林顿管接在电源电压和栅极驱动电路的输出端之间，由第一达林顿管控制模块控制；第二达林顿管接在栅极驱动电路的输出端和地之间，由第二达林顿管控制模块控制；第一PMOS管的栅极连接第一控制信号，源极连接电源电压，漏极连接第一NMOS管的漏极和栅极驱动电路的输出端；第一NMOS管的栅极连接第二控制信号，源极接地。功率管开启时，关断第二达林顿管和第一NMOS管，首先由第一达林顿管将功率管栅极充电至电源电压减达林顿管最小工作电压，随后由第一PMOS管继续充电至电源电压；功率管关断时，关断第一达林顿管和第一PMOS管，首先由第二达林顿管将功率管栅极放电至达林顿管最小工作电压，随后由第一NMOS管继续放电至地。

Description

一种混合型栅极驱动电路

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种混合型栅极驱动电路。

背景技术

在电子电路中，栅极驱动电路是一种重要的电路。栅极驱动电路的作用是，驱动功率晶体管的导通和关断，并在开启及关断稳态时，维持功率管的开启或关断状态，栅极驱动电路在模拟电路中被广泛应用。由于功率管的开关速度直接关系到功率在瞬态切换期间经受的dv/dt的大小，因此在某些对dv/dt效应敏感的应用中(如AC-DC变换器)，需要通过控制功率管的开启速度来达到降低dv/dt大小的目的。

现有的栅极驱动方法通常单独使用三极管或场效应晶体管实现驱动，三极管作为流控器件，可以有效地控制对功率管栅极的充放电速度，但三极管由于内建电势的存在，往往导致驱动的后续过程过于漫长，不适用于高速应用需求。而场效应晶体管(MOSFET)的驱动，可以避免该问题，但其驱动速度往往不可控。因此，现有的栅极驱动方法无法同时满足对斜率的控制与对驱动速度的需求。

发明内容

针对上述传统栅极驱动方法中单独使用三极管驱动存在的驱动速度慢和单独使用场效应晶体管(MOSFET)驱动存在的驱动速度不可控的问题，本发明提出了一种混合型栅极驱动电路，通过结合三极管驱动与场效应晶体管(MOSFET)驱动的各自特点，利用三极管构成达林顿管，在不同时间段内，分别引入三极管驱动与MOSFET驱动，构成混合型栅极驱动电路，本发明提出的混合型栅极驱动电路可以首先通过三极管构成的达林顿管实现对栅极的可控充电，随后通过额外的MOSFET驱动管，在达林顿管关闭后将栅极电压快速拉至预设电平，从而完善了瞬态过程；另外通过调整MOSFET的尺寸，可以实现分段驱动的功能；结合MOSFET辅助达林顿管，增强了电路的抗串扰能力。

本发明的技术方案为：

一种混合型栅极驱动电路，包括第一达林顿管、第二达林顿管、第一达林顿管控制模块、第二达林顿管控制模块、第一PMOS管和第一NMOS管，

所述第一达林顿管接在电源电压和所述混合型栅极驱动电路的输出端之间，由所述第一达林顿管控制模块控制；

所述第二达林顿管接在所述混合型栅极驱动电路的输出端和地之间，由所述第二达林顿管控制模块控制；

第一PMOS管的栅极连接第一控制信号，其源极连接电源电压，其漏极连接第一NMOS管的漏极和所述混合型栅极驱动电路的输出端；

第一NMOS管的栅极连接第二控制信号，其源极接地；

所述混合型栅极驱动电路的输出端连接其驱动的功率管的栅极；

所述混合型栅极驱动电路用于驱动所述功率管开启时，通过所述第二达林顿管控制模块关断所述第二达林顿管，并产生低电平的第二控制信号关断第一NMOS管；随后通过所述第一达林顿管控制模块开启所述第一达林顿管并产生高电平的第一控制信号关断第一PMOS管，由所述第一达林顿管为所述功率管栅极充电，当所述功率管栅极电压充电至电源电压减去所述第一达林顿管的最小工作电压时通过所述第一达林顿管控制模块关断所述第一达林顿管并翻低所述第一控制信号开启第一PMOS管，由第一PMOS管继续对所述功率管栅极充电直到所述功率管栅极电压充电至电源电压；

所述功率管关断时，通过所述第一达林顿管控制模块关断所述第一达林顿管，产生高电平的第一控制信号关断第一PMOS管；随后通过所述第二达林顿管控制模块开启所述第二达林顿管并产生低电平的第二控制信号关断第一NMOS管，由所述第二达林顿管对所述功率管栅极放电，当所述功率管栅极电压放电至所述第二达林顿管的最小工作电压时通过所述第二达林顿管控制模块关断所述第二达林顿管并翻高所述第一控制信号开启第一NMOS管，由第一NMOS管继续对所述功率管栅极放电直到所述功率管栅极电压放电至地电压。

具体的，所述第一达林顿管包括第三三极管和第四三极管，所述第一达林顿管控制模块包括第四电流源、第五电流源和第六电流源，第三三极管的基极连接第四三极管的发射极并通过第六电流源后接地，其集电极连接第四三极管的集电极和电源电压，其发射极连接所述混合型栅极驱动电路的输出端；第四三极管的基极一方面通过第四电流源后连接电源电压，另一方面通过第五电流源后接地；

所述第二达林顿管包括第一三极管和第二三极管，所述第二达林顿管控制模块包括第一电流源、第二电流源和第三电流源，第一三极管的基极连接第二三极管的发射极并通过第三电流源后接地，其集电极连接第二三极管的集电极和所述混合型栅极驱动电路的输出端，其发射极接地；第二三极管的基极一方面通过第一电流源后连接电源电压，另一方面通过第二电流源后接地。

本发明的有益效果为：本发明通过结合三极管驱动与MOSFET驱动的各自特点，利用三极管构成达林顿管，在不同时间段内，分别引入三极管驱动与MOSFET驱动，构成混合型栅极驱动电路，结合特定的时序控制实现对功率管的有效驱动；通过三极管构成的达林顿管实现了对功率管栅极的可控充电，随后通过额外的MOSFET驱动管，在达林顿管关闭后将栅极电压快速拉至预设电平，从而完善了瞬态过程；另外通过调整MOSFET的尺寸，可以实现分段驱动的功能；本发明通过恒流驱动优化了电磁干扰EMI，通过MOSFET驱动辅助达林顿管增强了抗串扰能力。

附图说明

图1为本发明提出的一种混合型栅极驱动电路在实施例中采用NPN三极管构成达林顿管的电路图。

图2为本发明提出的一种混合型栅极驱动电路在实施例中采用NPN三极管构成达林顿管时在瞬态过程中的波形图。

图3为本发明提出的一种混合型栅极驱动电路在实施例中采用NPN三极管构成达林顿管时的时序图。

图4为本发明提出的一种混合型栅极驱动电路对于通用达林顿管的拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的阐述：

如图4所示是本发明提出的一种混合型栅极驱动电路的整体框图，包括第一达林顿管、第二达林顿管、第一达林顿管控制模块、第二达林顿管控制模块、第一PMOS管MP和第一NMOS管MN，第一达林顿管接在电源电压VDD和混合型栅极驱动电路的输出端之间，由第一达林顿管控制模块控制；第二达林顿管接在混合型栅极驱动电路的输出端和地之间，由第二达林顿管控制模块控制；第一PMOS管MP的栅极连接第一控制信号PU，其源极连接电源电压VDD，其漏极连接第一NMOS管MN的漏极和混合型栅极驱动电路的输出端；第一NMOS管MN的栅极连接第二控制信号PD，其源极接地；混合型栅极驱动电路的输出端连接其驱动的功率管的栅极。

整个混合型栅极驱动电路分为上拉管和下拉管两部分，其中第一达林顿管和第一PMOS管MP都为上拉管，负责功率管的开启瞬态及稳态；第二达林顿管和第一NMOS管MN都为下拉管，负责功率管的关断瞬态及稳态。

第一达林顿管和第二达林顿管可以有多种实现形式，本实施例以NPN三极管构成的达林顿管为例详细说明本发明的工作原理和工作过程。如图1所示，本实施例中第一达林顿管包括第三三极管Q3和第四三极管Q4，第一达林顿管控制模块包括第四电流源I4、第五电流源I5和第六电流源I6，第三三极管Q3的基极连接第四三极管Q4的发射极并通过第六电流源I6后接地，其集电极连接第四三极管Q4的集电极和电源电压VDD，其发射极连接混合型栅极驱动电路的输出端；第四三极管Q4的基极一方面通过第四电流源I4后连接电源电压VDD，另一方面通过第五电流源I5后接地；第二达林顿管包括第一三极管Q1和第二三极管Q2，第二达林顿管控制模块包括第一电流源I1、第二电流源I2和第三电流源I3，第一三极管Q1的基极连接第二三极管Q2的发射极并通过第三电流源I3后接地，其集电极连接第二三极管Q2的集电极和混合型栅极驱动电路的输出端，其发射极接地；第二三极管Q2的基极一方面通过第一电流源I1后连接电源电压VDD，另一方面通过第二电流源I2后接地。

由图1所示，第三三极管Q3和第四三极管Q4构成的第一达林顿管以及第一PMOS管MP为上拉管，负责功率管的开启瞬态及稳态；第一三极管Q1和第二三极管Q2构成的第二达林顿管以及第一NMOS管MN为下拉管，负责功率管的关断瞬态及稳态。第四电流源I4、第五电流源I5、第六电流源I6负责控制第三三极管Q3、第四三极管Q4的开启与关断；第一电流源I1、第二电流源I2、第三电流源I3负责控制第一三极管Q1、第二三极管Q2的开启与关断；第一控制信号PU及第二控制信号PD分别为上拉管第一PMOS管MP与下拉管第一NMOS管MN的栅极控制电压，VDD为混合型栅极驱动电路的供电电压。

图2所示为本实施例中采用NPN三极管构成达林顿管实现混合型栅极驱动电路时，由本发明的栅极驱动电路驱动的功率管的开启及关断瞬态波形图，其中图2中(a)为关断瞬态波形图，DRV为功率管栅极电压，BJT1为由第一三极管Q1和第二三极管Q2构成的第二达林顿管的总放电电流，MOS1为下拉管第一NMOS管MN的放电电流。图2中(b)为开启瞬态波形图，DRV为功率管栅极电压，BJT2为由第三三极管Q3和第四三极管Q4构成的第一达林顿管的总充电电流，MOS2为上拉管第一PMOS管MP的充电电流。1.4V为由NPN三极管构成的达林顿管的最小工作电压。

图3所示为本实施例中采用NPN三极管构成达林顿管的混合型栅极驱动电路的时序图，其中PWM信号为高时功率管开启，PWM信号为低时功率管关闭。

由图2(a)及图3所示，在功率管的关断瞬态中，第四电流源I4关断且第五电流源I5与第六电流源I6开启，使得第三三极管Q3、第四三极管Q4构成的第一达林顿管关断，同时第一控制信号PU为高电平，使得MP管关断；第一达林顿管关断后，第一电流源I1开启，并瞬时增大，第二电流源I2及第三电流源I3关断，使得第一三极管Q1、第二三极管Q2构成的第二达林顿管开启，同时第二控制信号PD为低电平关断第一NMOS管MN，栅极驱动电路的输出下拉电流由第一电流源I1控制。当栅极驱动电路的输出电压逐渐从电源电压VDD过渡至达林顿管的最小工作电压(本实施例由于采用NPN三极管构成达林顿管，因此最小工作电压为1.4V)的过程中，由第一三极管Q1、第二三极管Q2构成的第二达林顿管开启，第一NMOS管MN关断，由第二达林顿管对功率管栅极进行恒流放电，通过调整第一电流源I1的大小可以控制功率管放电的速度，从而控制瞬态过程中的dv/dt量级。当功率管栅极电压DRV低于1.4V时，由第一三极管Q1、第二三极管Q2构成的第二达林顿管关断，同时第二控制信号PD翻高，第一NMOS管MN开启，继续对功率管栅极进行快速放电，最终使得功率管彻底关断，完成关断瞬态过程。通过调整第一NMOS管MN的尺寸，可以调整第二达林顿管关断后的放电速度，从而实现分段驱动的功能。在进入关断稳态后，第一电流源I1由大电流切换为小电流，同时第一NMOS管MN维持功率管的关断稳态，提高系统效率及抗干扰能力。

图2(b)所示为功率管的开启瞬态，在开启瞬态中，第一电流源I1关断，第二电流源I2及第三电流源I3开启，使得第一三极管Q1与第二三极管Q2关断，从而关断第二达林顿管，同时第二控制信号PD为低电平，使得第一NMOS管MN关断；第二达林顿管关断后，第四电流源I4开启，并瞬时增大，第五电流源I5及第六电流源I6关断，使得由第三三极管Q3与第四三极管Q4构成的第一达林顿管开启并在瞬态中提供大的充电电流，同时第一控制信号PU为高电平关断第一PMOS管MP，仅由第一达林顿管为功率管栅极充电，功率管栅极电压随着恒流充电逐渐升高，通过调整第四电流源I4的大小可以控制功率管充电的速度，从而控制瞬态过程中的dv/dt量级。当功率管栅极电压升高至与电源电压VDD相差达林顿管的最小工作电压1.4V时，由第三三极管Q3与第四三极管Q4构成的第一达林顿管关断，同时第一控制信号PU翻低，上拉管第一PMOS管MP继续对功率管栅极充电，直到功率管的栅极电压达到稳态值。通过调整第一PMOS管MP的尺寸，可以调整第一达林顿管关断后的充电速度，从而实现分段驱动的功能。进入开启稳态后第四电流源I4变为小电流，第一PMOS管MP维持功率管在开启稳态中的栅极电压。

第一电流源I1至第六电流源I6及第一控制信号PU、第二控制信号PD的时序产生电路只要满足上述工作过程即可，不存在唯一的产生电路。对第一电流源I1至第六电流源I6及第一控制信号PU、第二控制信号PD的时序产生电路的要求是：在功率管的关断瞬态中，第一电流源I1、第二电流源I2、第三电流源I3必须使得第一三极管Q1与第二三极管Q2在第三三极管Q3、第四三极管Q4及第一PMOS管MP关断后开启，第二控制信号PD需使得第一NMOS管MN在第一三极管Q1、第二三极管Q2构成的第二达林顿管关断后立刻开启；同理，在功率管的开启瞬态中，第四电流源I4、第五电流源I5、第六电流源I6必须使得第三三极管Q3、第四三极管Q4在第一三极管Q1、第二三极管Q2及第一NMOS管MN关断后开启，第一控制信号PU需使得第一PMOS管MP在第三三极管Q3、第四三极管Q4构成的第一达林顿管关断后立刻开启。

单独的达林顿管可以实现恒流驱动，但缺点是无法彻底关断功率管，或者说会有一段时间缓慢关断功率管；而单独的MOS管虽然可以彻底关断功率管，但缺点是不能轻易实现恒流驱动。本发明通过将三极管驱动和MOSFET驱动进行组合提出一种混合型栅极驱动电路，并结合特殊的时序设计实现对功率管栅极的准确控制，既可以保证恒流驱动，又可以保证功率管在达林顿管失效后快速且彻底的关断，有效控制功率管栅极充放电速度，降低dv/dt的大小，提高了系统效率及抗干扰能力，实现了对电磁干扰EMI的优化。

此外，对于单独的达林顿管驱动，当功率管的栅极(即图1中的GATE PIN脚)受到串扰时，以功率管关断稳态为例，当栅极驱动电路的输出端GATE的电压达到达林顿管最小工作电压1.4V前，达林顿管驱动都无法对该串扰做出反应，因此具有较差的抗串扰能力。而通过利用MOSFET辅助达林顿管，可以实现固定米勒钳位的这样一个功能，大大增强了抗串扰能力，因为MOSFET的常开特点可以对GATE端的任意大小串扰做出动作，抑制串扰的发生。可见，本发明提出的混合型栅极驱动电路具有优化EMI以及抑制串扰两个优点。

本实施例以NPN三极管构成达林顿管为例，但值得说明的是对于应用由其他类型三极管构成的达林顿管构成混合型驱动的情况，其具体控制方式与图1所示由NPN三极管构成达林顿管的情况相同，具体控制方式不再累述，本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种混合型栅极驱动电路，其特征在于，包括第一达林顿管、第二达林顿管、第一达林顿管控制模块、第二达林顿管控制模块、第一PMOS管和第一NMOS管，

所述第一达林顿管接在电源电压和所述混合型栅极驱动电路的输出端之间，由所述第一达林顿管控制模块控制；

所述第二达林顿管接在所述混合型栅极驱动电路的输出端和地之间，由所述第二达林顿管控制模块控制；

第一PMOS管的栅极连接第一控制信号，其源极连接电源电压，其漏极连接第一NMOS管的漏极和所述混合型栅极驱动电路的输出端；

第一NMOS管的栅极连接第二控制信号，其源极接地；

所述混合型栅极驱动电路的输出端连接其驱动的功率管的栅极；

所述混合型栅极驱动电路用于驱动所述功率管开启时，通过所述第二达林顿管控制模块关断所述第二达林顿管，并产生低电平的第二控制信号关断第一NMOS管；随后通过所述第一达林顿管控制模块开启所述第一达林顿管并产生高电平的第一控制信号关断第一PMOS管，由所述第一达林顿管为所述功率管栅极充电，当所述功率管栅极电压充电至电源电压减去所述第一达林顿管的最小工作电压时通过所述第一达林顿管控制模块关断所述第一达林顿管并翻低所述第一控制信号开启第一PMOS管，由第一PMOS管继续对所述功率管栅极充电直到所述功率管栅极电压充电至电源电压；

所述功率管关断时，通过所述第一达林顿管控制模块关断所述第一达林顿管，产生高电平的第一控制信号关断第一PMOS管；随后通过所述第二达林顿管控制模块开启所述第二达林顿管并产生低电平的第二控制信号关断第一NMOS管，由所述第二达林顿管对所述功率管栅极放电，当所述功率管栅极电压放电至所述第二达林顿管的最小工作电压时通过所述第二达林顿管控制模块关断所述第二达林顿管并翻高所述第一控制信号开启第一NMOS管，由第一NMOS管继续对所述功率管栅极放电直到所述功率管栅极电压放电至地电压。

2.根据权利要求1所述的混合型栅极驱动电路，其特征在于，所述第一达林顿管包括第三三极管和第四三极管，所述第一达林顿管控制模块包括第四电流源、第五电流源和第六电流源，第三三极管的基极连接第四三极管的发射极并通过第六电流源后接地，其集电极连接第四三极管的集电极和电源电压，其发射极连接所述混合型栅极驱动电路的输出端；第四三极管的基极一方面通过第四电流源后连接电源电压，另一方面通过第五电流源后接地；

所述第二达林顿管包括第一三极管和第二三极管，所述第二达林顿管控制模块包括第一电流源、第二电流源和第三电流源，第一三极管的基极连接第二三极管的发射极并通过第三电流源后接地，其集电极连接第二三极管的集电极和所述混合型栅极驱动电路的输出端，其发射极接地；第二三极管的基极一方面通过第一电流源后连接电源电压，另一方面通过第二电流源后接地。