CN111478562A - 一种功率开关管分段驱动电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率开关管分段驱动电路及方法，包括延时信号设定模块、反相器模块和功率开关管Q1，所述延时信号设定模块上连接有电阻Rt1、电阻Rt2和电阻Rt3，延时信号设定模块分别连接开关S1、开关S2和反相器的输入端，反相器的输入端还连接PWM信号，反相器的输出端连接开关S32，开关S1还连接开关S2和电源VCC，本发明采用“驱动坑”的思路，使得diD/dt和dVd/dt的产生的可能振荡区域EMI得到了改善，同时其他段加大驱动电流，使时间轴缩短，整个积分面积减小，开关损耗从而减小。该电路带来一个附加的价值，是由于内部驱动电流源可选，使得栅极驱动电阻Rg的潜在损耗减小。

Description

一种功率开关管分段驱动电路及方法
技术领域
本发明涉及控制技术领域，具体是一种功率开关管分段驱动电路及方法。
背景技术
在开关电源中，功率开关管的开关事实上是通过向开关管的栅极注入(开通)或抽取(关断)一定量的电荷来实现。这个注入或抽取电荷量除以时间即栅极驱动电流。栅极驱动方式对电源性能有很大的影响。如果驱动能力过强，即驱动电流过大，会导致流过功率开关管的电流变化(di/dt)过快和漏端电压变化(dv/dt)过大，从而带来很严重的EMI干扰。如果驱动能力过弱，即驱动电流过小，会导致功率开关管的开关延迟变大，开关速度变慢，从而增加开关损耗。
如何降低EMI干扰或减小开关损耗呢？现有的一种做法是通过调整功率开关管的栅极的驱动电阻Rg的大小来调整栅极驱动开通和关断的能力。当电阻R较大时，驱动电流较小，功率开关管的EMI干扰比较小，但功率开关管的开关损耗会比较大；当电阻Rg较小时，驱动电流较大，功率开关管的开关损耗会比较小，但功率开关管的EMI干扰比较大。通常实际应用中对Rg取一个中间值，但这种办法无法做到既降低EMI干扰，又减小开关损耗。
为此，有人提出了一种开关管栅极简单分段驱动的控制方式，但对于栅极驱动的分段控制是基于对开关管的密勒平台电压的检测与比较，由于密勒平台电压不易检测，且不同开关管的密勒平台电压差别很大，因此这种控制方式只能提前设定好密勒平台的近似值，并基于此设定的近似值进行栅极驱动的分段控制。这种的控制方式存在很大的制约性：若设定值比实际密勒平台电压低，会产生di/dt较大的现象，导致EMI变差；若设定值比实际密勒平台电压高，则在部分工作阶段中，栅极的驱动电流会变小，从而导致开关速度变慢、开关损耗变大。
为此，有人提出一种栅极电压与漏极电压检测同时进行来判断开关管开关状态的方法，但这种方法要求开关电源在系统上存在高压漏极电压检测的电路，存在应用局限性；并且，在驱动栅极电容不同、开启阈值不同的开关管时，不能获得一致性的EMI表现。
为此，有人提出一种提出一种开关电源的功率开关管的驱动方法，包括：在功率开关管的启动阶段，在功率开关管的栅极的电压达到米勒平台转折点之前以及处于米勒平台于一设定延时范围以内这个时间段，采用低电流驱动该功率开关管的栅极；在功率开关管的栅极的电压的米勒平台保持时间超过该设定延时以后，采用大电流驱动该功率开关管的栅极。
图1中底部PT vs.t示意图，左边阴影面积WC(on)为开通开关管的开关损耗功，右边WC(off)为关断开关管的开关损耗功。中间Won为导通损耗功。这三个部分相加，包含了MOSFET整个工作过程的损耗。
上述几种方法，并未精准、显著降低上图的两个三角形阴影面积WC(on)和WC(off)。只是起到了一定的效果。以最后一种方法为例，在主要形成阴影区域，并未加速，而是在开关管已经进入饱和区才放大了电流，没有显著降低开关损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种功率开关管分段驱动电路及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种功率开关管分段驱动电路，包括延时信号设定模块、反相器模块和功率开关管Q1，所述延时信号设定模块上连接有电阻Rt1、电阻Rt2和电阻Rt3，延时信号设定模块分别连接开关S1、开关S2和反相器的输入端，反相器的输入端还连接PWM信号，反相器的输出端连接开关S32，开关S1还连接开关S2和电源VCC，开关S2还连接电源VCC、开关S3和功率开关管Q1的G极，功率开关管Q1的S极连接开关S3和地。
作为本发明的进一步方案：所述延时信号设定模块分别输出延时信号t1、t2和t3。
作为本发明的进一步方案：所述电阻Rt1的另一端接地。
作为本发明的进一步方案：所述电阻Rt2的另一端接地。
作为本发明的进一步方案：所述电阻Rt3的另一端接地。
一种功率开关管分段驱动方法，在选型好开关管以后，根据功率开关管Q1的Qg、Cgs和Cgd1参数的不同，选择不同的电阻Rt1、电阻Rt2和电阻Rt3，从而改变延迟时间点t1、t2、t3，得到最佳的开关损耗较低及EMI优化结果。
作为本发明的进一步方案：所述电阻Rt1、电阻Rt2和电阻Rt3均采用可变电阻。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用“驱动坑”的思路，使得diD/dt和dVd/dt的产生的可能振荡区域EMI得到了改善，同时其他段加大驱动电流，使时间轴缩短，整个积分面积减小，开关损耗从而减小。该电路带来一个附加的价值，是由于内部驱动电流源可选，使得栅极驱动电阻Rg的潜在损耗减小。
附图说明
图1是电感性负载的开关管开关损耗理想模型示意图。
图2是实际情况的开关管开通过程示意图。
图3是栅极电压从零上升到栅极阈值电压VGS(th)的等效电路模型示意图。
图4是D从0上升，经过开关管线性区，进入饱和区的等效电路模型示意图。
图5是Vd在饱和区下降到完全导通所对应电压的等效电路图。
图6是本发明的分区示意图。
图7是本发明的等效电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图7，实施例1：本发明实施例中，一种功率开关管分段驱动电路，包括延时信号设定模块、反相器模块和功率开关管Q1，所述延时信号设定模块上连接有电阻Rt1、电阻Rt2和电阻Rt3，延时信号设定模块分别连接开关S1、开关S2和反相器的输入端，反相器的输入端还连接PWM信号，反相器的输出端连接开关S32，开关S1还连接开关S2和电源VCC，开关S2还连接电源VCC、开关S3和功率开关管Q1的G极，功率开关管Q1的S极连接开关S3和地。
以图2的阴影部分，即Vd和iD在时间轴的积分，就是实际情况下，开关管的开通过程产生的开关损耗。
减小整个阴影面积，即可减小开关损耗。而由于这个积分图形的Vd和iD是不变量，所以，对其中的几个阶段时间进行精细控制，是一种思路。
考虑到dVd/dt和diD/dt,所可能引起的EMI问题，我们进一步把开通的三个主要过程展开。
第一阶段，如图3所示，栅极电压从零上升到栅极阈值电压VGS(th)的同时，Vd和iD都没有发生变化。
第二阶段，如图4所示，继续想栅极注入电荷，栅极电压继续上升，iD从0上升到开关管线性区，直到进入饱和区。在这个阶段，继续向栅极注入电荷，电流达到顶峰，但是电压Vd并未变化。
第三阶段，也称为米勒效应区，如图5所示，Vd在饱和区下降到完全导通。由于由驱动电路栅极进入开关管的电荷实际上是注入了开关管的栅、漏两端，使得VGD电压下降，以使开关管导通，栅极没有电荷注入，故电压并不增长。当VDS＝VGS，如图5，Cgs和Cgd1并联形成Cgd2,驱动电路持续注入的电荷给栅极充电，米勒平台结束，栅极电压VGS继续上升，直到开关管完全导通。
从图1可以看出开关区损耗和EMI的主要因素。整个开通过程，使开关管从截止到完全开通，总共注入了Qg(总栅极电荷)这么多的电荷。本发明提出一种办法，在同样注入这么多电荷的情况下，进行优化分段，不仅仅开关速度加快，而且EMI并未因为开关速度加快而恶化。
在t1和t3阶段以内置的两个电流源同时驱动开关管，即驱动电流为IG1+IG2，在t2阶段，只用一个电流源驱动开关管，即驱动电流为IG1。这样相当于在中间区域挖了一个“驱动坑”，跨越了第二阶段的末尾和第三阶段的开头，使得diD/dt和dVd/dt得到充分改善。同时，由于t1和t3阶段的驱动电流较大，“全速驱动”开关管，开关速度得到了保证。具体实施方法如下：在选型好开关管以后，根据开关管的Qg、Cgs和Cgd1等参数的不同，选择不同的延迟时间点，以达到最佳实验效果。具体实施中，选型开关管结束以后，选取不同的Rt1、Rt2、Rt3，以此确定t1、t2、t3。经过优化选择，得到最佳的开关损耗较低及EMI优化结果。
实施例2，在实施例1的基础上，以上方法，实际上是开环控制体系的实验选择方法。在大量生产中应该以小批量结果为准，实践上比闭环检测漏源电压、栅源电压等更加有价值，可以针对不同的开关管灵活选择。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种功率开关管分段驱动电路，包括延时信号设定模块、反相器模块和功率开关管Q1，其特征在于，所述延时信号设定模块上连接有电阻Rt1、电阻Rt2和电阻Rt3，延时信号设定模块分别连接开关S1、开关S2和反相器的输入端，反相器的输入端还连接PWM信号，反相器的输出端连接开关S32，开关S1还连接开关S2和电源VCC，开关S2还连接电源VCC、开关S3和功率开关管Q1的G极，功率开关管Q1的S极连接开关S3和地。
2.根据权利要求1所述的一种功率开关管分段驱动电路，其特征在于，所述延时信号设定模块分别输出延时信号t1、t2和t3。
3.根据权利要求1所述的一种功率开关管分段驱动电路，其特征在于，所述电阻Rt1的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的一种功率开关管分段驱动电路，其特征在于，所述电阻Rt2的另一端接地。
5.根据权利要求4所述的一种功率开关管分段驱动电路，其特征在于，所述电阻Rt3的另一端接地。
6.一种功率开关管分段驱动方法，其特征在于，在选型好开关管以后，根据功率开关管Q1的Qg、Cgs和Cgd1参数的不同，选择不同的电阻Rt1、电阻Rt2和电阻Rt3，从而改变延迟时间点t1、t2、t3，得到最佳的开关损耗较低及EMI优化结果。
7.根据权利要求6所述的一种功率开关管分段驱动方法，其特征在于，所述电阻Rt1、电阻Rt2和电阻Rt3均采用可变电阻。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113676025A (zh) * 2021-10-22 2021-11-19 深圳英集芯科技股份有限公司 驱动电路、控制芯片电路、电源适配器及电子设备
WO2023065789A1 (zh) * 2021-10-22 2023-04-27 深圳英集芯科技股份有限公司 驱动电路及相关产品

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