CN113054828B - 一种功率开关管的驱动电路以及电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率开关管的驱动电路以及电源系统，驱动电路包括可变阻抗输出通道、恒定阻抗输出通道以及过冲抑制模块，可变阻抗输出通道和恒定阻抗输出通道用于根据开关控制信号向功率开关管提供对应的驱动信号，控制功率开关管的导通和关断，过冲抑制模块用于在功率开关管关断时，根据功率开关管控制端的振铃信号增大可变阻抗输出通道的输出阻抗，从而使得RLC电路处于强阻尼状态，可以抑制振铃信号中的过冲电压，避免功率开关管的误导通，提高电路稳定性和可靠性。

Description

一种功率开关管的驱动电路以及电源系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地涉及一种功率开关管的驱动电路以及电源系统。

背景技术

在电源系统中，通过控制开关型功率管(即功率开关管，例如通过IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或者MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)来实现)的导通和关断来实现电能的变换和输出电压的稳定。如图1所示，以电源系统中常用的降压(BUCK)电路为例，控制电路110采样输出电压Vout，并与内部的参考电压进行比较，产生开关控制信号PWM，以控制功率开关管M0的导通和关断，使得电源系统的输出电压等于其内部的参考电压。由于功率开关管M0的栅极的寄生电容较大，因此现有的电源系统100还包括驱动电路120，驱动电路120由于根据开关控制信号PWM产生相应的驱动信号Vg，来驱动功率开关管M0的导通和关断。

图2示出根据现有技术的驱动电路的电路示意图。如图2所示，现有的驱动电路120包括晶体管Mp1、晶体管Mn1和晶体管Mn2。晶体管Mp1和晶体管Mn2依次串联连接在内部基准电压Vreg和地之间，晶体管Mp1和晶体管Mn2的中间节点与晶体管Mn1的栅极连接，晶体管Mp1和晶体管Mn2的栅极受控于开关控制信号PWM。晶体管Mn1连接在功率开关管M0的栅极和地之间。

图3示出图2中的驱动电路的等效示意图。如图3所示，电容C1表示功率开关管的栅极寄生电容，电感L2表示驱动电路120与功率开关管之间的传输线的寄生电感，传输线与电容C1的上极板连接于节点D。驱动电路120驱动功率开关管的开关动作可以等效为驱动电路120为功率开关管的栅极寄生电容C1的充放电过程。当功率开关管需要导通时，开关控制信号PWM为高电平，晶体管Mp1关断，晶体管Mn2导通，晶体管Mn2将晶体管Mn1的栅极电压拉低，晶体管Mn1关断，电容C1被充电，节点D的电压VD升高，从而可将功率开关管导通。当功率开关管需要关断时，开关控制信号PWM为低电平，晶体管Mp1导通，晶体管Mn2关断，晶体管Mp1根据内部基准电压Vreg将晶体管Mn1的栅极电压拉高，晶体管Mn1导通，晶体管Mn1将电容C1的上极板接地，所以节点D的电压VD被快速下拉至地，从而可将功率开关管关断。但是功率开关管的快速导通和关断，会引起电路中的电压和电流快速变化，这些瞬变的电压和电流可能通过电源线路、寄生参数等原因，在电路中产生浪涌和电压过冲，影响电路的正常工作。例如，当节点D的电压VD被快速下拉至地之后，由于传输线寄生电感L2的影响，在电路中会产生电压震荡，导致节点D的电压VD发生电压下冲和过冲(如图4所示)，如果过冲的电压Vp2大于功率开关管的导通阈值，则会导致功率开关管的误导通，对功率开关管以及后级负载造成损坏。

现有的技术方案一般通过在外围电路增加电阻和电容对电路中产生的电压下冲和过冲进行抑制，但是增加加入阻尼电阻会导致功率开关管的开启/关闭速度缓慢，会造成系统能量的损失，甚至严重情况下功率开关管会烧毁。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功率开关管的驱动电路以及电源系统，不仅可以抑制振铃信号中的过冲电压，避免功率开关管的误导通，提高电路稳定性和可靠性，而且可以加快功率开关管的驱动速度。

根据本发明实施例的一方面，提供了一种功率开关管的驱动电路，所述驱动电路用于根据接收到的开关控制信号驱动所述功率开关管，其中，所述驱动电路包括：可变阻抗输出通道，用于根据所述开关控制信号生成第一驱动信号；恒定阻抗输出通道，用于根据所述开关控制信号生成第二驱动信号；以及过冲抑制模块，用于在所述功率开关管关断时，根据所述功率开关管控制端的振铃信号增大所述可变阻抗输出通道的输出阻抗。

优选地，当所述开关控制信号为表征所述功率开关管导通的有效时，所述过冲抑制模块不工作，当所述开关控制信号为表征所述功率开关管关断的无效时，所述过冲抑制模块开始工作。

优选地，所述可变阻抗输出通道包括第一至第三晶体管，其中，第一晶体管和第二晶体管依次串联连接于内部基准电压和地之间，所述第一晶体管和第二晶体管的控制端受控于所述开关控制信号，第三晶体管的第一端用于向所述功率开关管的控制端提供所述第一驱动信号，第二端接地，所述第三晶体管的控制端与所述第一晶体管和所述第二晶体管的中间节点连接，其中，所述过冲抑制模块根据所述振铃信号通过控制所述第三晶体管的控制端电压使得所述第三晶体管的输出阻抗增大。

优选地，所述过冲抑制模块包括；第四晶体管，其具有与所述功率开关管的控制端连接以接收所述振荡信号的第一端、受控于所述开关控制信号的控制端以及第二端；以及一电容，其具有与所述第四晶体管的第二端连接的第一极板、以及与所述第三晶体管的控制端连接的第二极板，其中，当所述开关控制信号有效时，所述第四晶体管关断；当所述开关控制信号无效时，所述第四晶体管导通。

优选地，所述过冲抑制模块还包括一反相器，其具有用于接收所述开关控制信号的输入端、以及与所述第四晶体管的控制端连接的输出端。

优选地，所述第一晶体管选自P型MOSFET，所述第二晶体管、所述第三晶体管以及所述第四晶体管分别选自N型MOSFET。

优选地，所述恒定阻抗输出通道包括第五至第七晶体管，其中，第五晶体管和第六晶体管依次串联连接于内部基准电压和地之间，所述第五晶体管和第六晶体管的控制端受控于所述开关控制信号，第七晶体管的第一端用于向所述功率开关管的控制端提供所述第二驱动信号，第二端接地，所述第七晶体管的控制端与所述第五晶体管和所述第六晶体管的中间节点连接。

优选地，所述第五晶体管选自P型MOSFET，所述第六晶体管和所述第七晶体管选自N型MOSFET。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种电源系统，包括上述的功率开关管的驱动电路。

本发明实施例的功率开关管的驱动电路以及电源系统具有以下有益效果。

驱动电路包括可变阻抗输出通道、恒定阻抗输出通道以及过冲抑制模块。可变阻抗输出通道和恒定阻抗输出通道用于根据开关控制信号向功率开关管提供对应的驱动信号，控制功率开关管的导通和关断。过冲抑制模块用于在功率开关管关断时，根据功率开关管控制端的振铃信号增大可变阻抗输出通道的输出阻抗，从而使得RLC电路处于强阻尼状态，可以抑制振铃信号中的过冲电压，避免功率开关管的误导通，提高电路稳定性和可靠性。

进一步的，本发明的驱动电路采用自适应抑制过冲的方案，可以加快功率开关管的驱动速度，而不会出现因功率开关管的驱动速度过快导致的电压过冲的后果。

进一步的，本发明的驱动电路可集成于控制芯片中，无需增加外围元件，有利于节省空间，降低成本；此外本发明的过冲抑制模块在功率开关管工作于稳态条件下时没有静态通路，因此本发明的过冲抑制模块不会存在额外的静态损耗，电路可靠性和效率更高。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据现有技术的一种电源系统的电路示意图；

图2示出根据现有技术的一种驱动电路的电路示意图；

图3示出图2中的驱动电路的等效示意图；

图4示出图3中的节点D在功率开关管关断过程中的电压示意图；

图5示出根据本发明实施例的一种电源系统的电路示意图；

图6示出根据本发明实施例的一种驱动电路的电路示意图；

图7示出图6中的驱动电路的等效示意图；

图8示出图6中的驱动电路的工作示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如部件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以直接耦合或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦合到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

在本申请中，MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)包括第一端、第二端和控制端，在MOSFET的导通状态，电流从第一端流至第二端。P型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为源极、漏极和栅极，N型MOSFET的第一端、第二端和控制端分别为漏极、源极和栅极。

图5示出根据本发明实施例的一种电源系统的电路示意图。如图5所示，该电源系统采用BUCK拓扑，电源系统200包括主电路、控制电路210和驱动电路220。主电路包括电感L1、功率开关管M0以及续流二极管D1。

功率开关管M0和电感L1串联连接在输入电压Vin和输出电压Vout之间，续流二极管D1的阴极连接至电感L1和功率开关管M0之间的开关节点，阳极接地。控制电路210用于采样输出电压Vout，并与内部的参考电压进行比较，产生开关控制信号PWM。驱动电路220用于根据开关控制信号PWM产生相应的驱动信号Vg，驱动信号Vg用于控制功率开关管M0的导通和关断，功率开关管M0的导通和关断状态可以调节所述开关节点的开关电压Vsw和流过功率开关管M0的电流。在所述功率开关管M0导通期间，输入电压Vin向电感L1充电，在所述功率开关管M0关断期间，电感L1向负载供电。

进一步而言，电源系统200的主电路还包括输入电容Cin和输出电容Cout，输入电容Cin和输出电容Cout可分别对输入电压Vin和输出电压Vout进行稳定和滤波。

其中，采用开关控制信号PWM控制是控制功率开关管的一种控制方式，开关控制信号PWM包括有效部分和无效部分，二者组成一个开关周期，有效部分占整个开关周期的比例称之为占空比。以N型MOSFET的功率开关管为例，开关控制信号PWM的高电平部分为有效，低电平部分为无效。

进一步而言，驱动电路220还用于在所述功率开关管M0在“导通”和“关断”之间的过渡阶段时根据功率开关管M0的控制端的振铃信号(所述振铃信号即为由于传输线寄生电感的影响，在功率开关管的控制端形成的电压震荡)调节驱动信号Vg的驱动强度。施加于功率开关管M0的控制端的驱动信号Vg可用于控制功率开关管M0的状态，驱动信号Vg的特性(例如驱动强度)可影响功率开关管M0的操作状态。例如，驱动信号Vg可影响功率开关管M0的导通速度、关断速度和/或效率。

图6示出根据本发明实施例的一种驱动电路的电路示意图，如图6所示，驱动电路220包括可变阻抗输出通道221、恒定阻抗输出通道222以及过冲抑制模块223。驱动电路220生成的驱动信号Vg包括第一驱动信号Vg1和第二驱动信号Vg2，可变阻抗输出通道221用于根据开关控制信号PWM生成第一驱动信号Vg1，恒定阻抗输出通道222用于根据开关控制信号PWM生成第二驱动信号Vg2。过冲抑制模块223用于在所述功率开关管M0“关断”时，根据功率开关管M0的控制端的振铃信号增大可变阻抗输出通道的输出阻抗，从而使得RLC电路处于强阻尼状态，可以抑制功率开关管M0的控制端的振铃信号的过冲，避免功率开关管的误导通，提高电路稳定性和可靠性。

进一步的，可变阻抗输出通道221包括晶体管Mp2、晶体管Mn1和晶体管Mn6，晶体管Mp2和晶体管Mn6依次串联连接在内部基准电压Vreg和地之间，晶体管Mp2和晶体管Mn6的控制端用于接收开关控制信号PWM，晶体管Mp2和将晶体管Mn6的中间节点与晶体管Mn1的控制端连接。晶体管Mn1的第一端与功率开关管M0的控制端连接，第二端接地。晶体管Mp2例如为P型MOSFET，晶体管Mn1和晶体管Mn6例如为N型MOSFET，当开关控制信号PWM有效时，晶体管Mp2关断，晶体管Mn6导通，然后晶体管Mn1关断；当开关控制信号PWM无效时，晶体管Mp2导通，晶体管Mn6关断，然后晶体管Mn1导通。

进一步的，过冲抑制模块223与晶体管Mn1的控制端连接，当开关控制信号PWM有效时，过冲抑制模块223不工作；当开关控制信号PWM无效时，过冲印制模块223根据功率开关管M0控制端的振铃信号通过控制晶体管Mn1的控制端电压使得晶体管Mn1的输出阻抗增大。

进一步的，恒定阻抗输出通道222包括晶体管Mp1、晶体管Mn2和晶体管Mn5，晶体管Mp1和晶体管Mn5依次串联连接于内部基准电压Vreg和地之间，晶体管Mp1和晶体管Mn5的控制端用于接收开关控制信号PWM，晶体管Mp1和晶体管Mn5的中间节点与晶体管Mn2的控制端连接。晶体管Mn2的第一端与功率开关管M0的控制端连接，第二端接地。晶体管Mp1例如为P型MOSFET，晶体管Mn2和晶体管Mn5例如为N型MOSFET，当开关控制信号PWM有效时，晶体管Mp1关断，晶体管Mn5导通，然后晶体管Mn2关断；当开关控制信号PWM无效时，晶体管Mp1导通，晶体管Mn5关断，然后晶体管Mn2导通。

进一步的，过冲抑制模块223包括反相器INV1、晶体管Mn3以及电容C2，晶体管Mn3的第一端与功率开关管M0的控制端连接，第二端与电容C2的上极板连接，电容C2的下极板与晶体管Mn1的控制端连接。反相器INV1的输入端用于接收开关控制信号PWM，输出端与晶体管Mn3的控制端连接以提供开关控制信号PWM的反相信号。当开关控制信号PWM有效时，晶体管Mn3关断；当开关控制信号PWM无效时，晶体管Mn3导通，所以此时功率开关管M0的控制端的振铃信号可以通过电容C2的高频耦合，将晶体管Mn1的控制端电压拉低，晶体管Mn1的导通阻抗增大。

图7示出图6中的驱动电路的等效示意图，图8示出图6中的驱动电路的工作示意图。以下参照图7和图8对本发明实施例的驱动电路的工作原理进行详细说明。

在图7中，电容C1表示功率开关管的栅极寄生电容，电感L2表示驱动电路220与功率开关管之间的传输线的寄生电感，传输线与电容C1的上极板连接于节点D，图6中的可变阻抗输出通道221可以等效为动态电阻R2，恒定阻抗输出通道222可以等效为电阻R1，电阻R1和动态电阻R2的第一端与电感L2连接与节点C，节点C即为可变阻抗输出通道221和恒定阻抗输出通道222的等效输出节点，用于提供驱动信号Vg。在图8中，VD表示节点D的电压变化曲线，Vgs-Mn1表示晶体管Mn1的栅源电压变化曲线，Ron-Mn1表示晶体管Mn1的导通阻抗变化曲线。

驱动电路220驱动功率开关管的开关动作可以等效为驱动电路220为功率开关管的栅极寄生电容C1的充放电过程。当功率开关管需要关断时，开关控制信号PWM为低电平，晶体管Mp1和晶体管Mp2导通，晶体管Mn5和晶体管Mn6关断，晶体管Mp1和晶体管Mp2根据内部基准电压Vreg将晶体管Mn1和晶体管Mn2的栅极电压拉高，晶体管Mn1和晶体管Mn2导通，晶体管Mn1和晶体管Mn2将电容C1的上极板接地，所以节点D的电压VD被快速下拉至地，从而可将功率开关管关断。但是由于功率开关管的快速导通和关断，会引起电路中的电压和电流快速变化，这些瞬变的电压和电流可能通过电源线路、寄生参数等原因，在电路中产生浪涌和电压过冲电流，影响电路的正常工作。例如，当节点D的电压VD被快速下拉至地之后，由于传输线寄生电感L2的影响，在电路中会产生电压震荡，导致节点D的电压VD发生电压下冲和过冲(如图8所示)，而此时驱动电路220中的过冲抑制模块223根据节点D的下冲电压Vp1以及电容C2的高频耦合，将晶体管Mn1的控制端电压拉低，晶体管Mn1的导通阻抗增大，即动态电阻R2的阻值增大，从而使得RLC电路处于强阻尼状态，可以保证过冲的电压Vp2小于功率开关管的导通阈值，避免功率开关管的误导通，提高电路稳定性和可靠性。

综上所述，本发明实施例提供了一种功率开关管的驱动电路以及电源系统，驱动电路包括可变阻抗输出通道、恒定阻抗输出通道以及过冲抑制模块。可变阻抗输出通道和恒定阻抗输出通道用于根据开关控制信号向功率开关管提供对应的驱动信号，控制功率开关管的导通和关断。过冲抑制模块用于在功率开关管关断时，根据功率开关管控制端的振铃信号增大可变阻抗输出通道的输出阻抗，从而使得RLC电路处于强阻尼状态，可以抑制振铃信号中的过冲电压，避免功率开关管的误导通，提高电路稳定性和可靠性。

进一步的，本发明的驱动电路采用自适应抑制过冲的方案，可以加快功率开关管的驱动速度，而不会出现因功率开关管的驱动速度过快导致的电压过冲的后果。

进一步的，本发明的驱动电路可集成于控制芯片中，无需增加外围元件，有利于节省空间，降低成本；此外本发明的过冲抑制模块在功率开关管工作于稳态条件下时没有静态通路，因此本发明的过冲抑制模块不会存在额外的静态损耗，电路可靠性和效率更高。

应当说明，尽管在本文中，将器件说明为某种N沟道或P沟道器件、或者某种N型或者P型掺杂区域，然而本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明，互补器件也是可以实现的。本领域的普通技术人员可以理解，导电类型是指导电发生的机制，例如通过空穴或者电子导电，因此导电类型不涉及掺杂浓度而涉及掺杂类型，例如P型或者N型。本领域普通技术人员可以理解，本文中使用的与电路运行相关的词语“期间”、“当”和“当……时”不是表示在启动动作开始时立即发生的动作的严格术语，而是在其与启动动作所发起的反应动作(reaction)之间可能存在一些小的但是合理的一个或多个延迟，例如各种传输延迟等。本文中使用词语“大约”或者“基本上”意指要素值(element)具有预期接近所声明的值或位置的参数。然而，如本领域所周知的，总是存在微小的偏差使得该值或位置难以严格为所声明的值。本领域已恰当的确定了，至少百分之十(10％)(对于半导体掺杂浓度，至少百分之二十(20％))的偏差是偏离所描述的准确的理想目标的合理偏差。当结合信号状态使用时，信号的实际电压值或逻辑状态(例如“1”或“0”)取决于使用正逻辑还是负逻辑。

此外，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (8)

1.一种功率开关管的驱动电路，所述驱动电路用于根据接收到的开关控制信号驱动所述功率开关管，其中，所述驱动电路包括：

可变阻抗输出通道，用于根据所述开关控制信号生成第一驱动信号；

恒定阻抗输出通道，用于根据所述开关控制信号生成第二驱动信号；以及

过冲抑制模块，包括第四晶体管和一电容，所述第四晶体管具有与所述功率开关管的控制端连接以接收振铃信号的第一端，受控于所述开关控制信号的控制端，以及与所述电容的第一极板连接的第二端，所述电容的第二极板与所述可变阻抗输出通道的控制端连接，

其中，所述第四晶体管配置为在所述开关控制信号无效时导通，通过所述电容的高频耦合控制所述可变阻抗输出通道的输出阻抗增大。

2.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，当所述开关控制信号为表征所述功率开关管导通的有效时，所述过冲抑制模块不工作，

当所述开关控制信号为表征所述功率开关管关断的无效时，所述过冲抑制模块开始工作。

3.根据权利要求2所述的驱动电路，其特征在于，所述可变阻抗输出通道包括第一至第三晶体管，

其中，第一晶体管和第二晶体管依次串联连接于内部基准电压和地之间，

所述第一晶体管和第二晶体管的控制端受控于所述开关控制信号，

第三晶体管的第一端用于向所述功率开关管的控制端提供所述第一驱动信号，第二端接地，

所述第三晶体管的控制端与所述第一晶体管和所述第二晶体管的中间节点连接，

其中，所述过冲抑制模块根据所述振铃信号通过控制所述第三晶体管的控制端电压使得所述第三晶体管的输出阻抗增大。

4.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述过冲抑制模块还包括一反相器，其具有用于接收所述开关控制信号的输入端、以及与所述第四晶体管的控制端连接的输出端。

5.根据权利要求3所述的驱动电路，其特征在于，所述第一晶体管选自P型MOSFET，所述第二晶体管、所述第三晶体管以及所述第四晶体管分别选自N型MOSFET。

6.根据权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述恒定阻抗输出通道包括第五至第七晶体管，

其中，第五晶体管和第六晶体管依次串联连接于内部基准电压和地之间，

所述第五晶体管和第六晶体管的控制端受控于所述开关控制信号，

第七晶体管的第一端用于向所述功率开关管的控制端提供所述第二驱动信号，第二端接地，

所述第七晶体管的控制端与所述第五晶体管和所述第六晶体管的中间节点连接。

7.根据权利要求6所述的驱动电路，其特征在于，所述第五晶体管选自P型MOSFET，所述第六晶体管和所述第七晶体管选自N型MOSFET。

8.一种电源系统，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的功率开关管的驱动电路。

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