CN117411299A - 驱动电路、包括该驱动电路的半导体装置以及包括该驱动电路的开关电源装置 - Google Patents

驱动电路、包括该驱动电路的半导体装置以及包括该驱动电路的开关电源装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了驱动电路、包括该驱动电路的半导体装置以及包括该驱动电路的开关电源装置。一种驱动电路被配置为能够驱动开关元件。所述驱动电路获得所述开关元件的温度信息，并且在接通和关断所述开关元件中的至少一个时基于所述温度信息改变所述开关元件的驱动能力。

Description

驱动电路、包括该驱动电路的半导体装置以及包括该驱动电 路的开关电源装置
技术领域
本公开涉及驱动电路、包括该驱动电路的半导体装置以及包括该驱动电路的开关电源装置。
背景技术
通常，在开关电源装置和半导体装置中使用开关元件。开关电源装置接通和关断开关元件，以便从输入电压产生期望的输出电压。
这样的开关元件由于在漏极和源极之间流动的漏极电流而引起损耗。这种损耗主要包括在导通状态下由导通电阻不断产生的损耗(下文中称为“Ron损耗”)、在从截止状态到导通状态的切换时段期间瞬时产生的损耗(下文中称为“接通损耗”)、以及在从导通状态到截止状态的切换时段期间瞬时产生的损耗(下文中称为“关断损耗”)。
发明内容
本说明书中公开的驱动电路，其是被配置为能够驱动开关元件的驱动电路，获得所述开关元件的温度信息，并且在接通和关断所述开关元件中的至少一个时基于所述温度信息改变所述开关元件的驱动能力。
根据本说明书中公开的驱动电路，可以抑制由于开关元件的温度增加而引起的开关元件损耗的增加。
附图说明
图1是图示根据第一实施例的开关电源的示意图。
图2是图示根据第一实施例的开关元件的栅极信号、漏极电压和漏极电流的曲线图。
图3是图示根据第一实施例的开关元件的温度与该开关元件中的开关损耗之间的关系的曲线图。
图4是图示根据第二实施例的开关电源的示意图。
图5是图示第二实施例的开关元件的温度和栅极电压的转换速率的曲线图。
图6是图示第二实施例的开关元件的温度与开关损耗之间的关系的曲线图。
图7是图示根据变型的开关电源的示意图。
图8是图示根据另一变型的开关电源的示意图。
具体实施方式
在本说明书中，金属氧化物半导体(MOS)场效应晶体管是指具有由至少三层构成的栅极结构的场效应晶体管，所述至少三层包括导体或半导体(诸如具有小电阻的多晶硅)层、绝缘层和P型、N型或本征半导体的半导体层。换句话说，MOS场效应晶体管的栅极结构不限于金属、氧化物和半导体的三层结构。
在本说明书中，恒定电流是指在理想状态下具有恒定值的电流，并且实际上它是由于温度变化等而可能稍微变化的电流。
在下文中，参考附图描述实施例。图1是图示根据第一实施例的开关电源1的示意图。该实施例的开关电源1是绝缘型反激式电源。开关电源1将初级电路系统(GND1系统)与次级电路系统(GND2系统)电绝缘，并且将供应给初级电路系统的DC输入电压Vin转换为期望的DC输出电压Vout，以便从次级电路系统输出该DC输出电压Vout。开关电源1包括变压器20、次级整流/平滑电路30和半导体装置70。
变压器20包括初级绕组21和次级绕组22。初级绕组21包括在初级电路系统中。次级绕组22包括在次级电路系统中。初级绕组21和次级绕组22将初级电路系统与次级电路系统电绝缘，同时它们彼此磁耦合。
初级绕组21的第一端子(绕组开始端子)连接到DC输入电压Vin的施加端子(未示出)。初级绕组21的第二端子(绕组结束端子)连接到稍后描述的开关元件40的漏极。次级绕组22的第一端子(绕组结束端子)连接到次级整流/平滑电路30的输入端子(稍后描述的二极管31的阳极)。次级绕组22的第二端子(绕组开始端子)连接到次级电路系统的接地端子GND2。
次级整流/平滑电路30包括设置在次级电路系统中的二极管31和电容器32。次级整流/平滑电路30对在变压器20的次级绕组22处感应的电压进行整流和平滑，以便产生DC输出电压Vout。二极管31的阳极连接到次级绕组22的第一端子(绕组结束端子)。二极管31的阴极和电容器32的第一端子连接到DC输出电压Vout的输出端子。电容器32的第二端子连接到次级电路系统的接地端子GND2。
半导体装置70是开关控制IC，其是变压器20的主控制器，包括稍后描述的开关元件40、电阻器44和驱动电路46。
开关元件40是N沟道型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。开关元件40的漏极连接到初级绕组21的第二端子(绕组结束端子)和缓冲电路41的输入端子(稍后描述的二极管42的阳极)。开关元件40的源极经由电阻器44连接到初级电路系统的接地端子GND1。开关元件40的栅极连接到稍后描述的驱动电路46。
根据施加到栅极的栅极信号G1(栅极电压)，开关元件40形成和断开从DC输入电压Vin的施加端子通过变压器20的初级绕组21到初级电路系统的接地端子GND1的电流路径，以便接通和关断在初级绕组21中流动的初级电流Ip。当栅极信号G1处于高电平时，开关元件40接通，并且当栅极信号G1处于低电平时，开关元件40关断。
缓冲电路41包括设置在初级电路系统中的二极管42、电容器43和电阻器45。缓冲电路41是吸收在初级绕组21处产生的瞬态浪涌电压的保护电路。电容器43的第一端子连接到二极管42的阴极。电容器43的第二端子连接到初级绕组21的第一端子(绕组开始端子)和DC输入电压Vin的施加端子(未示出)。电阻器45的第一端子连接到电容器43的第一端子和二极管42的阴极。电阻器45的第二端子连接到电容器43的第二端子。
驱动电路46连接到开关元件40的栅极，并且被配置为能够驱动开关元件40。驱动电路46获得开关元件40的温度信息(诸如与开关元件40的环境温度相对应的信息，该环境温度与开关元件40的结温相关)，并且基于温度信息改变栅极信号G1的梯度(上升时间)，以便改变开关元件40的驱动能力。在下文中，详细描述驱动电路46。
驱动电路46包括电流源47、温度监测器48和输出区段38。温度监测器48可以获得开关元件40的温度信息。输出区段38基于获得的温度信息产生预定栅极信号G1，并将该预定栅极信号G1输出到开关元件40的栅极。
在该实施例中，温度监测器48是具有其正向电压随着温度增加而降低的温度特性的二极管53。二极管53相对靠近开关元件40放置，并且其温度在被开关元件40加热时升高。根据该实施例的温度信息是正向电压的电压值，其根据开关元件40的环境温度而变化。二极管53的阳极连接到电流源47。二极管53的阴极连接到接地端子GND1。
输出区段38包括运算放大器54和调整区段39。运算放大器54是具有负极端子(第一端子)、正极端子(第二端子)和输出端子的运算放大器。运算放大器54的正极端子连接到二极管53的阳极和电流源47的输出端子。运算放大器54的负极端子经由电阻器56和内部电源55连接到接地端子GND1。另外，运算放大器54的负极端子经由电阻器57连接到运算放大器54的输出端子。
运算放大器54的输出端子经由电阻器58连接到调整区段39的输入端子(稍后描述的晶体管60的漏极)。运算放大器54将施加到负极端子的电压值与施加到正极端子的电压值之间的差放大预定的放大因子以成为输出电压，并将输出电压施加到电阻器58。
二极管53的正向电压由VF表示，内部电源55的电压值由V1表示，运算放大器54的输出端子的电压值由V2表示，第一电流镜50侧的电阻器58的端子处的电压值由V3表示，电阻器56的电阻由R1表示，电阻器57的电阻由R2表示，并且电阻器58的电阻由R3表示。满足等式(1)和(2)的以下关系。
调整区段39的输出端(稍后描述的高侧晶体管MH的漏极和稍后描述的低侧晶体管ML的漏极之间的连接节点)连接到开关元件40的栅极。调整区段39基于运算放大器54的输出电压改变栅极信号G1的梯度(上升时间)。
调整区段39包括第一电流镜50、第二电流镜51、第三电流镜52、高侧晶体管MH、低侧晶体管ML和信号控制区段10。低侧晶体管ML是N沟道型MOSFET。高侧晶体管MH是P沟道型MOSFET。
第一电流镜50包括晶体管60和晶体管61。晶体管60和61是P沟道型MOSFET。晶体管60和61的栅极连接到晶体管60的漏极。如上所述，晶体管60的漏极连接到运算放大器54的输出端子。晶体管60的源极和晶体管61的源极连接到电源电压Vcc。晶体管61的漏极连接到第二电流镜51的输入端子(稍后描述的晶体管62的漏极)。
第一电流镜50以预定的镜像比对在电阻器58中流动的电流I1进行镜像，以便从晶体管61的漏极输出镜像电流Id1。
第二电流镜51包括晶体管62和晶体管63。晶体管62和63是N沟道型MOSFET。晶体管62和63的栅极连接到晶体管62的漏极。晶体管62和63的源极连接到接地端子GND1。晶体管63的漏极连接到第三电流镜52的输入端子(稍后描述的晶体管64的漏极)。
第二电流镜51以预定的镜像比对从晶体管61输出的镜像电流Id1进行镜像，以便从晶体管63的漏极输出镜像电流Id2。
第三电流镜52包括晶体管64和晶体管65。晶体管64和65是P沟道型MOSFET。晶体管64和65的栅极连接到晶体管64的漏极。晶体管64的源极和晶体管65的源极连接到电源电压Vcc。晶体管65的漏极连接到高侧晶体管MH的源极。
第三电流镜52以预定的镜像比对从晶体管63输出的镜像电流Id2进行镜像，以便从晶体管65的漏极输出镜像电流Id3。
高侧晶体管MH的漏极和低侧晶体管ML的漏极连接到开关元件40的栅极。低侧晶体管ML的源极连接到接地端子GND1。
高侧晶体管MH的栅极连接到信号控制区段10的外部端子T1。低侧晶体管ML的栅极连接到信号控制区段10的外部端子T2。
信号控制区段10是作为变压器20的主控制器的开关控制IC。信号控制区段10分别产生高侧晶体管MH和低侧晶体管ML的栅极信号。高侧晶体管MH产生处于高电平的栅极信号G1，而低侧晶体管ML产生处于低电平的栅极信号G1。
接下来，详细描述通过驱动电路46改变开关元件40的驱动能力。当开关元件40的温度升高使得开关元件40的环境温度升高时，二极管53的温度也升高。当二极管53的温度升高时，二极管53的正向电压降低。
如上所述，当二极管53的温度由于开关元件40的温度升高而升高时，其正向电压降低。当正向电压VF降低时，运算放大器54的输出电压V2根据上述等式(1)降低。当输出电压V2降低时，在电阻器58中流动的电流I1根据上述等式(2)增加。
然后，镜像电流Id3也增加，其经由第一至第三电流镜50至52流入高侧晶体管MH。随着镜像电流Id3的增加，处于低电平的栅极信号G1的上升时间缩短。以这种方式，驱动电路46获得开关元件40的温度信息，并根据温度信息改变开关元件40的栅极信号G1的梯度(上升时间)。
图2是图示根据本实施例的开关元件40的栅极信号G1(栅极)、漏极电压(漏极)和漏极电流(IDRAIN)的曲线图。曲线图的左侧(图2中的部分A1)是没有温度监测器48和输出区段38的情况下的开关电源的开关元件的曲线图(下文中称为“参考示例”)。曲线图的右侧(图2中的A2部分)是具有该实施例的驱动电路46的开关电源1的开关元件40的曲线图。
参考示例的开关元件40在截止状态下(在直到时间t1的时段期间)具有处于低电平的栅极信号G1。此外，当它从截止状态切换到导通状态时(在从时间t1到时间t2的时段期间)，栅极信号G1的电压值从低电平上升到高电平。当栅极信号G1的电压值上升时，漏极电压降低，并且漏极电流增加。在该时段期间产生的功率(损耗)是接通损耗。
在参考示例的开关元件40中，栅极信号G1达到高电平并且在从时间t2到时间t3的时段期间维持该电平。
当参考示例的开关元件40从导通状态切换到截止状态时(在从时间t3到时间t4的时段期间)，栅极信号G1从高电平降低到低电平。此时，当栅极信号G1的电压值降低时，漏极电压上升，并且漏极电流降低。在该时段期间产生的功率(损耗)是关断损耗。
另一方面，该实施例的开关电源1采用如上所述的结构，其中驱动电路46获得开关元件40的温度信息，并且基于该温度信息改变开关元件40的栅极信号G1的梯度。因此，当开关元件40从截止状态切换到导通状态时(在从时间t1'到时间t2'的时段期间)，栅极信号G1的上升时间短于参考示例中的上升时间。换言之，栅极信号G1从低电平上升到高电平的时间间隔(从时间t1'到时间t2'的时段)短于参考例中的时间间隔(从时间t1到时间t2的时段)。因此，该实施例中的开关元件40的在其接通时产生的功率损耗(接通损耗)小于参考例中的功率损耗。
图3是图示根据该实施例的开关元件40的温度(Ta)与开关元件40中的损耗(Lo)之间的关系的曲线图。在该曲线图中，虚线表示参考示例的开关元件40中的开关损耗，而实线表示该实施例的开关元件40中的开关损耗。开关损耗被计算为Ron损耗、接通损耗和关断损耗之和。
如上所述，Ron损耗随着开关元件40的温度增加而增加。因此，如图3所示，在参考示例的开关元件40中，开关元件40的损耗与温度增加成比例地增加。另一方面，在该实施例的开关元件40中，即使Ron损耗由于开关元件40的温度增加而增加，接通损耗也降低以抵消如上所述的Ron损耗的增加。因此，如图3所示，即使开关元件40的温度增加，也可以抑制开关元件40中的损耗的增加。
因此，通过采用上述实施例的驱动电路46，可以抑制由于开关元件40的温度增加而引起的开关元件40中的损耗的增加。
接下来，描述第二实施例的开关电源1。注意，在以下描述中，描述了与第一实施例的差异，并且与第一实施例相同的结构由相同的数字或符号表示，使得其描述被省略。图4是图示根据第二实施例的开关电源1的示意图。
该实施例的开关电源1的输出区段38包括可变电流源67、选择器69(控制区段)和调整区段39。
可变电流源67包括多个恒定电流源68a至68h以及开关端子SW1至SW7。恒定电流源68a至68h连接到电源电压Vcc。恒定电流源68a连接到第二电流镜51的晶体管62的漏极。
开关端子SW1至SW7的输出端子连接到晶体管62的漏极。恒定电流源68b至68h被布置为能够分别经由开关端子SW1至SW7与晶体管63的漏极连接或断开。
选择器69连接到二极管53的阳极。选择器69基于由二极管53获得的温度信息来选择开关端子SW1至SW7中的每一个的连接状态或断开状态。
具体地，选择器69预先存储根据二极管53的正向电压的电压值的开关端子SW1至SW7中的每一个的连接状态或断开状态的模式。当二极管53的正向电压施加到选择器69时，基于正向电压的电压值选择开关端子SW1至SW7中的每一个的连接状态或断开状态。此时，随着正向电压以预定值降低，选择器69一个接一个地选择开关端子SW1至SW7的连接状态。
可变电流源67将漏极电流Id4输出到晶体管62的漏极。漏极电流Id4的电流值是在恒定电流源68b至68h中的连接状态下的恒定电流源的电流值与恒定电流源68a的电流值之和。漏极电流Id4经由第二电流镜51和第三电流镜52作为预定漏极电流流入高侧晶体管MH的漏极。注意，第二电流镜51的晶体管62和晶体管63的源极连接到接地端子GND1。
图5是图示该实施例的开关元件40的温度(Ta)和栅极信号G1的转换速率(SR)的曲线图。图6是图示该实施例的开关元件40的温度(Ta)和开关元件40中的损耗(Lo)之间的关系的曲线图。在图6的曲线图中，虚线表示上述参考示例的开关元件40中的损耗，而实线表示该实施例的开关元件40中的损耗。
当开关元件40的温度升高使得二极管53的温度升高时，二极管53的正向电压降低。然后，如上所述，从可变电流源67输出的漏极电流Id4逐步升高。因此，如图5所示，开关元件40的转换速率随着其温度增加而增加，并且可以降低接通损耗。以这种方式，如图6所示，即使开关元件40的温度增加，也可以抑制开关元件40中的损耗的增加。
注意，除了上述实施例之外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以在本公开的范围内对本公开的结构进行各种修改。
例如，上述实施例采用其中只有当开关元件40接通时才改变开关元件40的驱动能力的结构，但是也可以采用其中当开关元件40关断时也改变驱动能力的结构。
在这种情况下，如图7所示，第二电流镜51包括晶体管66。晶体管66的漏极连接到低侧晶体管63的源极。晶体管66的源极连接到接地端子GND1。晶体管63的源极连接到晶体管66的源极。另外，晶体管62和晶体管63的栅极连接到晶体管66的栅极。以这种方式，不仅可以降低接通损耗，而且可以降低关断损耗，并且可以更有效地抑制由于开关元件40的温度增加而引起的开关元件40中的损耗的增加。
另外，也可以采用其中只有当开关元件关断时才改变开关元件40的驱动能力的结构。在这种情况下，如图8所示，第二电流镜51包括晶体管62和晶体管66。晶体管66的漏极连接到低侧晶体管ML的源极。
本说明书中公开的驱动电路(46)，其是被配置为能够驱动开关元件(40)的驱动电路，获得所述开关元件(40)的温度信息，并且在接通和关断所述开关元件中的至少一个时基于所述温度信息改变所述开关元件(40)的驱动能力(第一结构)。
注意，在具有第一结构的驱动电路(46)中，优选的是采用包括温度监测器(48)和输出区段(38)的结构，所述温度监测器(48)获得所述温度信息，所述输出区段(38)向所述开关元件(40)施加栅极电压(G1)，所述栅极电压(G1)以与由所述温度监测器(48)获得的所述温度信息相对应的梯度变化(第二结构)。
另外，在具有第二结构的驱动电路(46)中，优选的是采用这样的结构，其中所述温度监测器(48)包括具有根据温度而变化的正向电压的二极管(42)，并且输出所述正向电压或与所述正向电压相对应的电压作为所述温度信息(第三结构)。
另外，在具有第三结构的驱动电路(46)中，优选的是采用这样的结构，其中所述输出区段(38)包括运算放大器，所述运算放大器具有连接到所述二极管(42)的第一端子、被施加有预定电压的第二端子、以及输出通过将所述第一端子和所述第二端子处的电位之间的差放大预定放大系数而获得的输出电压的输出端子；以及调整区段(39)，所述调整区段(39)连接在所述输出端子与所述开关元件(40)之间，以便基于所述输出电压的电压值来改变所述栅极电压(G1)的梯度(第四结构)。
另外，在具有第三结构的驱动电路(46)中，优选的是采用这样的结构，其中所述输出区段(38)包括可变电流源(67)，所述可变电流源(67)具有输出预定恒定电流或切断电流的多个恒定电流源(68a至68h)，并且输出与在所述恒定电流源(68a至68h)的输出状态下的恒定电流源的电流值之和相对应的输出电流；控制区段(69)，所述控制区段(69)基于所述正向电压的电压值来选择所述恒定电流源(68a至68h)中的每一个的输出状态或切断状态；以及调整区段(39)，所述调整区段(39)基于所述输出电流的电流值来改变所述栅极电压(G1)的梯度(第五结构)。
另外，本说明书中公开的半导体装置(70)包括所述开关元件(40)和具有第一至第五结构中的任何一个的驱动电路(46)(第六结构)。
另外，本说明书中公开的开关电源装置(1)包括所述开关元件(40)和具有第一至第五结构中的任何一个的驱动电路(46)(第七结构)。
根据具有第一结构的驱动电路(46)，可以抑制由于开关元件(40)的温度增加而引起的开关元件(40)中的损耗的增加。
另外，根据具有第二结构的驱动电路(46)，可以根据由温度监测器(48)获得的开关元件(40)的温度信息更适当地改变开关元件(40)的驱动能力。
另外，根据具有第三结构的驱动电路(46)，可以基于二极管(42)的正向电压的变化获得开关元件(40)的温度信息。以这种方式，可以根据温度信息更适当地改变开关元件(40)的驱动能力。
另外，根据具有第四结构的驱动电路(46)，可以实现其中根据二极管(42)的正向电压的变化而改变开关元件(40)的驱动能力的结构。因此，在不提供复杂的控制系统的情况下，可以更适当地改变开关元件(40)的驱动能力。
另外，根据具有第五结构的驱动电路(46)，可以根据温度信息逐步改变开关元件(40)的驱动能力。
另外，根据具有第六结构的半导体装置(70)，可以提供能够抑制由于开关元件(40)的温度增加而导致的开关元件(40)中的损耗的增加的半导体装置(70)。
另外，根据具有第七结构的开关电源装置(1)，可以提供能够抑制由于开关元件(40)的温度增加而引起的开关元件(40)中的损耗的增加的开关电源装置(1)。
本发明可以用于在所有领域(诸如家用电器领域、汽车领域和工业机械领域)中使用的开关电源装置。

Claims (7)

1.一种驱动电路，其被配置为能够驱动开关元件，其中所述驱动电路获得所述开关元件的温度信息，并且在接通和关断所述开关元件中的至少一个时基于所述温度信息改变所述开关元件的驱动能力。
2.根据权利要求1所述的驱动电路，包括：
温度监测器，所述温度监测器获得所述温度信息；以及
输出区段，所述输出区段向所述开关元件施加栅极电压，所述栅极电压以与由所述温度监测器获得的所述温度信息相对应的梯度变化。
3.根据权利要求2所述的驱动电路，其中所述温度监测器包括具有根据温度而变化的正向电压的二极管，并且输出所述正向电压或与所述正向电压相对应的电压作为所述温度信息。
4.根据权利要求3所述的驱动电路，其中所述输出区段包括：
运算放大器，所述运算放大器具有连接到所述二极管的第一端子、被施加有预定电压的第二端子、以及输出通过将所述第一端子和所述第二端子处的电位之间的差放大预定放大系数而获得的输出电压的输出端子；以及
调整区段，所述调整区段连接在所述输出端子与所述开关元件之间，以便基于所述输出电压的电压值来改变所述栅极电压的梯度。
5.根据权利要求3所述的驱动电路，其中所述输出区段包括：
可变电流源，所述可变电流源具有输出预定恒定电流或切断电流的多个恒定电流源，并且输出与在所述多个恒定电流源中的输出状态下的恒定电流源的电流值之和相对应的输出电流；
控制区段，所述控制区段基于所述正向电压的电压值来选择所述恒定电流源中的每一个的输出状态或切断状态；以及
调整区段，所述调整区段基于所述输出电流的电流值来改变所述栅极电压的梯度。
6.一种半导体装置，包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的驱动电路；以及
所述开关元件。
7.一种开关电源装置，包括：
根据权利要求1至5中任一项所述的驱动电路；以及
所述开关元件。
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