CN1677857A - 用于操作开关晶体管的电路结构 - Google Patents

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Abstract

本电路结构包括：耦合到开关晶体管(T1)的控制输入(2)的驱动级(D)，所述驱动级(D)提供用于操作开关晶体管(T1)的开关电压(11)；和耦合到所述控制输入(2)的控制电路(T2、R3－R7、C3)，用于在延迟所述开关晶体管(T1)的转换时整形所述开关电压(11)。所述开关晶体管(T1)尤其是MOSFET，用于接通和断开容性负载(L)。

Description

用于操作开关晶体管的电路结构
技术领域
本发明涉及一种包括用于操作开关晶体管的驱动级的电路结构。所述开关晶体管尤其用于接通和断开容性负载的电源。
背景技术
为了完全断开负载，最好的解决方案是断开连接输入电压。然后所述负载处于安全模式并且没有任何功耗。为了断开输入电压到负载的连接，例如可以使用继电器作为开关。但是，大多数继电器并未被设计用于例如400伏的高直流电压和200瓦以上的大功率负载的操作。因此，不能使用标准的继电器，这就使该解决方案相当昂贵。
为了转换到负载的直流电源，也可以使用开关晶体管，例如MOSFET。开关晶体管例如可以耦合于直流电源和负载的第一输入端与耦合到地的负载的第二输入端之间的高端。或者在第二实施例中，开关晶体管耦合于负载与地之间，并且负载的输入端被直接耦合到直流电源。在使用大功率容性负载的情况下，当接通负载时，开关晶体管必须应对相当高的转换损失。
发明内容
根据本发明的电路结构包括耦合到开关晶体管控制输入端的驱动级，用于提供操作开关晶体管的开关电压。所述电路结构还包括耦合到控制输入端的控制电路，用于在延迟开关晶体管的转换时整形开关电压。
本发明者已经意识到，当在延迟开关晶体管的转换时对施加到用于转换的开关晶体管的控制输入端的开关电压整形时，减少了开关晶体管的功率耗散应力。随着延迟的转换，功耗被分配在更长的时间间隔上。这提供了每时间单位的更低功耗。因此，当以这种方式整形矩形开关电压时，可以使用较小的开关晶体管，尤其可以使用具有较小芯片区域的开关晶体管。不需要额外的散热器。
在第一实施例中，所述电路结构包括一与所述开关晶体管串联的电流感测阻抗和一控制晶体管，该控制晶体管与到电流感测阻抗的控制输入端耦合并且与到开关晶体管的控制输入端的电流输入端耦合。因此所述电路结构在通过开关晶体管的电流与开关晶体管的输入之间提供负反馈，从而当开关晶体管接通和各个电流流过开关晶体管时，减少转换开关晶体管的控制电压。
在第二实施例中，控制晶体管的控制输入端还特别经由低通滤波器耦合到驱动级的输出端。控制晶体管被嵌入在一分压器链之中，该分压器链耦合于驱动级的输出与地之间。开关晶体管因此以被延迟的方式转换，这在更长的时间间隔上延长了开关晶体管的热耗散。
附图说明
现在参考示意性附图更详细地解释本发明的优选实施例，其中：
图1示出了包括用于操作一开关晶体管的驱动级的电路结构；和
图2示出了图1所示电路结构的控制电压和电流。
具体实施方式
在图1中，示出了用于操作一开关晶体管1的电路结构。开关晶体管T1与到负载L的第一电源端9的电流输入端1耦合，并且与到参考电势、在该实施例中接地的电流输出端3耦合。负载L的第二电源端8耦合到直流电源PS的输出端7，该直流电源PS提供正直流电源U1。具体使用MOSFET作为开关晶体管T1。
负载L具体为大功率容性负载。在优选的应用中，负载是数字光处理(DLP)单元，其在用于显示电视节目的电视机内使用。这种DLP单元需要大约400伏、最大功率为220瓦的电源U1。DLP单元中包含的电容器C2的值例如可以是47μF。
用于操作开关晶体管T1的电路结构包括驱动级D，其在输出端10提供矩形控制电压11用以操作开关晶体管T1。控制电压11被施加到开关晶体管T1的控制输入端2以便接通和断开负载L。开关电压11被耦合到控制输入端2上的附加控制电路整形，以便延迟开关晶体管T1的转换。
在第一实施例中，控制电路包括电流感测阻抗R3、在该实施例中是电阻器，其与负载L和开关晶体管T1串联耦合。在该实施例中，阻抗R3是电阻器，其耦合于开关晶体管T1的电流输出端3与地之间。电阻器R3提供感测电压Us，该电阻器R3经由电阻器R4耦合到控制晶体管T2的控制输入端5。控制晶体管T2与到开关晶体管T1的控制输入端2的电流输入端4耦合，该控制晶体管用于整形开关电压11。
晶体管T2放置在分压器链内，该分压器链具有耦合到驱动级D的输入端10的电阻器R5和耦合到地的电阻器R6。电阻器R5的电阻值与电阻器R6的电阻值相比较高。因此，当经由电阻器R5将开关电压11施加到开关晶体管T1的控制输入端2时，经由在电流输入端3与控制输入端2之间的晶体管T2向控制输入端2提供一负反馈，用以平滑矩形电压1的急剧上升。
该实施例的操作如下：当驱动级D通过开关电压11接通负载L时，在感测电阻器R3的两端产生电压Us，该电压Us至少部分地打开控制晶体管T2。然后减少施加到控制输入端2的电压，从而也减少了用于电容器C2的电流I1。在一段时间之后，当对电容器C2充电时，电流I1减少到操作一DLP单元所需的值。然后感测电压Us也减少到一个不足以打开控制晶体管T2的值。因此，开关电压11的满幅度出现在控制输入端2处，因此完全以正常操作来转换开关晶体管T1。
在第二实施例中，该电路结构还包括高通电路，该高通电路耦合于驱动级D的输出端10与控制晶体管T2的控制输入端5之间。在该实施例中，高通电路包括电容器C3和电阻器R7。由于高通特性，当矩形电压11从低转换到高时，该电路仅在开关电压11的开始处有效，直到电容器C3被充电为止。在对电容器C3的充电期间，晶体管T2导通，从而减少施加到开关晶体管T1的控制输入端2的电压Uc。
现在参考图2来解释该实施例的操作：在时间t0，驱动级D在输出端10提供矩形接通电压11。因为高通电路C3、R7，控制晶体管立即导通，这减少了施加到开关晶体管T1的控制输入端2的电压Uc。然后，根据电容器C3的充电，减少通过晶体管T2的电流。因此，当与矩形开关电压11的陡斜率相比时，电压Uc上升延迟了。
在时间t1，电压Uc足以导通开关晶体管T1。然后在时间t1之后持续地减少存在于开关晶体管T1的电流输入端1的电压Ud，直到在时间t2处达到零为止。同时，经过开关晶体管T1的电流I1上升。因为电流I1产生感测电压Us，所以考虑到开关电压11的矩形斜坡，施加到开关晶体管T1的控制输入端2的电压Uc被平滑，并且在时间t1之后，电压Uc仅仅缓慢上升。
在时间t2，控制晶体管T2完全断开，这影响了电压Uc进一步上升到一对应于开关电压11的幅度的电平。因此，通过开关晶体管T1的电流11从时间t1到t2持续地上升，在时间t2，开关晶体管T1完全接通。在时间t2之后，通过DLP单元的操作和通过叠加在直流电压U1上的残留开关噪声来调制电流I1。
因此，所造成的开关晶体管T1的功耗P具有正弦形状，其从时间t0到t1为零，并且在时间t2再次达到零。因此，开关晶体管T1的功耗分布在相对大的时间间隔t1到t2，这大约是15毫秒。因此，与将矩形开关电压施加到开关晶体管T1的控制输入端2的电路相比，开关晶体管1中的峰值功率被减少到原来的1/3到1/4。因此，如先前所述，当通过控制电路整形开关电压11时，减少了开关晶体管1的散逸热压力。因此，可以使用更小并更便宜的开关晶体管1。
本发明不限于关于附图的如上所述的实施例，并且在不背离本发明的范围的情况下，本领域的普通技术人员可以进行各种可用的修改。例如，具有驱动级的电路结构可被集成在集成电路内，或者被独立的电路元件来实现。本电路结构的优势尤其在于接通容性负载，并且其他应用也是可能的。

Claims (10)

1.一种电路结构，包括耦合到一开关晶体管(T1)的控制输入端(2)上的驱动级(D)，所述驱动级(D)提供一用于操作开关晶体管(T1)的开关电压(11)，其特征在于：所述电路结构还包括一耦合到所述控制输入端(2)上的控制电路(T2、R3-R7、C3)，用于在延迟所述开关晶体管(T1)的转换时整形所述开关电压(11)。
2.根据权利要求1的电路结构，其特征在于：一电流感测阻抗(R3)与所述开关晶体管(T1)串联耦合，并且一控制晶体管(T2)与到电流感测阻抗(R3)的控制输入端(5)耦合并且与到用于提供负反馈的开关晶体管(T1)的控制输入端(2)的电流输入端(4)耦合。
3.根据权利要求2的电路结构，其特征在于：所述控制晶体管(T2)与分压器链(R5、R6)串联耦合，该分压器链耦合在驱动级(D)的输出端(10)与一参考电势之间。
4.根据权利要求2的电路结构，其特征在于：一电阻器(R5)放置在驱动级(D)的输出端(10)与开关晶体管(T1)的控制输入端(2)之间，并且控制晶体管(T2)的电流输入端(4)连接到开关晶体管(T1)的控制输入端(2)。
5.根据权利要求2至4中任一项权利要求的电路结构，其特征在于：控制晶体管(T2)的控制输入端(5)还被耦合到驱动级(D)的输出端(10)。
6.根据权利要求5的电路结构，其特征在于：所述耦合包括一高通滤波器(C3、R7)。
7.根据权利要求5或6的电路结构，其特征在于：控制晶体管(T2)的控制输入端(5)经由一电容器(C3)和一串联连接的电阻器(R7)耦合到驱动级(D)的输出端(10)。
8.根据权利要求2至7中任一项权利要求的电路结构，其特征在于：所述电流感测阻抗是一电阻器(R3)，其耦合在开关晶体管(T1)与地之间，所述控制晶体管(T2)的电流输出端(6)耦合到地，并且该控制晶体管(T2)的控制输入端(5)经由一电阻器(R4)耦合到所述电流感测阻抗(R3)。
9.根据在前权利要求中任一项权利要求的电路结构，其特征在于：所述开关晶体管(T1)是MOSFET，并且与具体为容性负载的负载(L)串联耦合。
10.根据权利要求9的电路结构，其特征在于：所述开关晶体管(T1)被放置在所述负载(L)与地之间。
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