CN1830144A - 半导体开关的高频控制 - Google Patents

Abstract

谐振栅极驱动器电路提供了例如对MOSFET的高效开关。然而，谐振栅极驱动器电路的操作常常不能应用于要求高开关频率的应用中。根据本发明，执行对谐振栅极驱动器电路的电感器的预充电。这样可以实现MOSFET的高能量效率以及快速的操作。

Description

半导体开关的高频控制

本发明涉及半导体开关的控制，并且特别涉及用于半导体开关的谐振驱动器电路的改进操作。特别的是，本发明涉及一种操作用于驱动半导体开关的谐振驱动器电路的方法，并且涉及一种操作用于驱动半导体开关的谐振驱动器电路的控制电路。

在功率转换器的现有技术中，我们已经知道耦合到功率MOSFET开关上的那种栅极驱动电路对功率转换器的效率具有很大的影响，尤其是在高频下。因此，已经开发出各种驱动器方案。栅极驱动器功耗与开关频率成正比，并且在MHz区域中是高效功率转换器设计中的主要限制因素。改进栅极驱动器功耗的一个方案是采用谐振栅极电路，该谐振栅极电路在第22届IEEE功率电子专家年会(22nd Annual IEEE power electronics specialists conference(PESC)，1991年6月23日到27日，523页到527页)中由D.Maksimovic所著的标题为“具有谐振过渡的MOS栅极驱动器(A MOS gate drive with resonant transitions)”的论文中所述。该论文描述了一种栅极驱动器，其在开/关状态下、在栅极端子和源极端子之间提供具有低阻抗的准方波栅极-源极电压。功率MOS晶体管的等效栅极电容在谐振电路中被充放电，这样存储在该等效栅极电容中的能量就被返回到驱动器的电源。

例如，这种谐振栅极驱动电路可以用于具有MOSFET的功率电子装置中，其中MOSFET以高开关频率工作。因此，它们例如可用在开关模式电源中(SMPS)。此外，它们可以适用于在尺寸、平坦度、EMI或者动态特性方面有特殊要求的应用中，例如用于数据处理器(MPS)、平面显示器的调压器模块(VRM)以及用于具有AM/FM调谐器的音频装置的SMPS。

在MHz区域或者更高区域内的高开关频率下，MOSFET的高效以及快速的驱动变得越来越重要。高效驱动对于减小栅极驱动器损耗来说是必须的。快速驱动对于将功率晶体管的开关损耗保持在容许范围内来说是必须的。

为了实现高效驱动，比例如硬开关驱动器更高效的谐振驱动器的应用变得越来越受期待。然而，已知的谐振驱动器不能实现同样的开关速度，并且因此经常不能适用于具有MHz区域或者更高区域内的开关频率的应用。

本发明的一个目的是对用于驱动半导体开关的谐振驱动器电路提供改进操作。

根据本发明的一个示例性实施例，上述目的可由如权利要求1所述的驱动半导体开关的谐振驱动器电路的一种操作方法来解决。根据本发明的该示例性实施例，该驱动器电路包括第一开关以及第二开关，该第一开关用于通过电感器将电源连接到该半导体开关的控制端，该第二开关连接到该半导体开关的控制端以用于控制该半导体开关的开关动作。根据本发明的该示例性实施例的一个方面，该电感器在第二开关的开关动作之前被预充电。

有利的是，由于电感器的预充电，更高的初始电流可以被施加到半导体开关的控制端，从而可以有利地提供半导体开关的快速和高效的开关动作。

这种改进的操作组合了高效和快速的驱动，这对于具有MHz区域或者更高区域内的开关频率的应用来说是必须的。

根据如权利要求2所述的本发明的示例性实施例，在第二开关的开关动作之前形成一个电感器电流。

根据如权利要求3所述的本发明的另一示例性实施例，通过在第二开关的开关动作之前提供一个时间段而实现在对第二开关进行开关动作之前的电感器电流以及由此实现对电感器的预充电，在该时间段中第一开关和第二开关接通。

权利要求4到7提供本发明的其它示例性实施例。特别是，根据如权利要求6所述的本发明的示例性实施例，根据本发明一个示例性实施例的方法被应用到包括四个开关并且具有简单且鲁棒的配置的谐振驱动器电路中。

根据如权利要求8所述的本发明的另一示例性实施例，提供一种控制电路，其用于操作谐振驱动器电路，以便驱动半导体开关。根据本发明的该示例性实施例的控制电路包括一个开关控制器，其用于控制第一和第二开关的开关动作，从而在第二开关的开关动作之前对电感器进行预充电。

有利的是，该控制电路可应用于已知的谐振栅极驱动器电路，并且可以实现半导体开关在高频下的快速且高效的操作。

权利要求9提供根据本发明的控制电路的一个示例性实施例。

作为本发明的示例性实施例的要点，可以看到，谐振驱动器电路的电感器在控制所述半导体开关(例如MOSFET)的开关动作的开关执行开关动作之前被预充电。为此，在开关动作之前形成一个电感器电流，从而使得一个初始电流充电MOSFET的栅极，并且因此可以实现对MOSFET的更快速的开关。根据本发明的一个方面，所述预充电可通过提供一个时间段而实现，在该时间段中第一开关和第二开关接通，其中第一开关通过该电感器将电源连接到栅极，并且第二开关连接到MOSFET的栅极以用于控制该MOSFET的开关动作。

有利的是，可以提供对MOSFET的快速并且高效(即功率高效)的操作，从而使得这种电路可应用于数据处理器的VRM、平面显示器的SMPS或者音频装置的SMPS。

本发明的这些和其它方面将参考后面的实施例变得清楚并进行阐述。

下面参考随后的附图描述本发明的示例性实施例：

图1示出了用于驱动MOSFET的谐振栅极驱动器电路的简化电路图。

图2示出了用于解释谐振栅极驱动器电路的操作的时序图。

图3示出了根据本发明的一种操作谐振栅极驱动器电路的方法的示例性实施例的时序图。

图1示出了用于驱动例如功率MOSFET的MOSFET 20的谐振栅极驱动器的电路图，其包括根据本发明的一个示例性实施例的用于操作该谐振栅极驱动器电路的控制电路。

图1中的附图标记2表示产生电源电压V_CC的电源。附图标记4表示连接在电源电压V_CC和电感器16的第一端之间的第一开关T₁。附图标记6表示二极管D₁。附图标记10表示连接在地和电感器L₁ 16的第一端之间的第二开关T₂。与地和电感器L₁ 16的第一端之间的开关T₂ 10并联提供另一个二极管D₂ 12。当T₁是MOSFET开关时，D₁可为T₁的本征体(intrinsic body)二极管。当T₂是MOSFET开关时，D₂可为T₂的本征体二极管。I_L是流进电感器L₁ 16的电流。

附图标记8表示设置在电源电压V_CC电感器L₁ 16的第二端之间的第三开关T₃。电感器L₁ 16的第二端还连接到MOSFET 20的栅极。附图标记14表示设置在电感器L₁ 16的第二端和地之间的第四开关T₄。在电感器L₁ 16的第二端(即MOSFET 20的栅极)以及地之间，与第四开关T₄ 14并联，图中绘制出电容C_GS 18。其可以仅表示MOSFET 20的等效栅极电容，或者其可以是外部电容加上MOSFET 20的等效栅极电容表示的和。电容C_GS 18两端的电压被表示为V_GS。

另外，根据本发明的一个方面，提供一个控制电路22，其用于操作第一到第四开关4、8、10和14的开关动作。第一到第四开关T₁到T₄(附图标记4、8、10和14)还可以是增强型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。然而，例如也可以提供CMOS开关或者其它合适的开关。例如，该控制电路可通过例如由Alterra制造的状态机或者EPLD实现，并且可以通过控制电路22和T₁到T₄的每个开关之间的适当的开关驱动器来实现。

从控制电路2提供到开关T₁到T₄的驱动信号可具有从几百KHz到MHz范围的频率。取决于电路工作的频率范围，电容C_GS 18可在0,5到10nF的范围内，并且电感器L₁ 16可具有50-1000nH(例如对于Cgs＝2nF以及1MHz时为200nH)的电感值。

下面，参考图2的时序图描述图1所示的谐振栅极驱动器电路的示例性操作。

图2的时序图30示出了第一和第二开关T1和T2随时间的开关动作。图2的时序图32示出第三和第四开关T3和T4随时间的开关动作。时序图34示出了随时间变化的相应I_L，并且时序图36示出随时间变化的电压V_GS。

如图2所示，当MOSFET 20将要接通时第四开关T₄关断，并且在同一时间点t₁，第一开关T₁接通，并且将MOSFET 20的栅极通过电感器L₁ 16连接到V_CC上。V_CC由电源2提供。如时序图34所示，这使得电感器电流I_L增加直到t₂，在t₂时第一开关T₁关断并且第三开关T₃接通。在t₂时，电感器电流I_L达到其正的峰值。在同一时间t₂，电压V_GS达到其期望值，并且MOSFET 20完全接通。t₂后，通过二极管D₂和第三开关T₃发生能量恢复，使得电感器电压I_L几乎线性减少。在实践应用中，与T₃并联的二极管可减小Vgs上的过电压风险，该过电压可能由不正确的定时导致。该过电压将减小转换器的效率，并且有时甚至是破坏性的。在T₃是例如MOSFET时，该二极管可以是T₃的本征体二极管。

因此，从图2可以得出，达到MOSFET 20的全栅极电压并且MOSFET 20的开关动作完成所需的时间段为[t₁；t₂]。因此，从示出电感器电流I_L的时序图34可以得出，电感器L₁减慢了电荷流进MOSFET 20的栅极，并且随之减慢了栅极电压V_GS的上升，从而减慢了MOSFET 20的开关动作。

在t₃，第三开关T₃关断并且第二开关T₂接通。这使得电感器电流I_L增加，此时电感器电流以与[t₁；t₂]期间相反的方向流动。为此，栅极电压V_GS从t₃开始减小，直到其在t₄达到零为止，此时电感器电流I_L达到其峰值，并且第二开关T₂关断而第四开关T₄接通。在实际应用中，与T₄并联的二极管可减小Vgs的负的过电压的风险，其可能由不正确的定时导致。该过电压将减小转换器的效率，并且有时甚至是破坏性的。当T₄例如是MOSFET时，该二极管可以是T₄的本征体二极管。

因此，可以从图2中得出，到栅极电压V_GS达到零为止花费了时间段[t₃；t₄]，因此到MOSFET 20关断为止花费了相对长的时间。因此，尽管这种操作在功耗方面效率很高，但其不能进行高频操作，这是因为电感器L₁减慢了栅极电压V_GS的上升和下降。

图3示出了根据本发明的一种操作谐振栅极驱动器电路的方法，如上所示，其可用根据本发明一个示例性实施例的控制电路22实现，该控制电路控制第一到第四开关T₁到T₄以执行图3的时序图40到46所示的开关动作。如上所示，该控制电路可作为利用合适的驱动器来操作第一到第四开关T₁到T₄的状态机或者EPLD来实现，比如包括用于分别驱动第一到第四开关T₁到T₄的放大器的数字电路，或者其可作为合适的模拟电路来实现。

时序图40示出第一和第二开关T₁和T₂随时间的开关动作，时序图42示出第三和第四开关T₃和T₄随时间的开关动作。第三时序图44示出随时间变化的电感器电流I_L，并且第四时序图46示出随时间变化的电容器C_GS 18两端的栅极电压。

从图3可以得出，在第四开关T₄于t₆关断之前，第一开关T₁在t₅接通。这提供了一个重叠时间段，在该重叠时间段中第一开关T₁和第四开关T₄都接通。这使得电感器L₁ 16被预充电，如时序图44中的I_L所示。换句话说，在第四开关T₄关断之前，控制MOSFET 20的开关动作，令第一开关T₁接通，从而使得电感器L₁ 16被预充电。该预充电通过在MOSFET 20的实际开关动作之前的[t₅；t₆]期间形成一个电感器电流、以及接着在t₆时关断第四晶体管T₄而实现。

换句话说，对电感器L₁ 16的预充电是通过提供一个重叠时间段而实现的，在该重叠时间段中，第一开关T₁和第四开关T₄接通。

然后，在第四开关T₅于t₆时的开关动作之后，电感器电流I_L在t₇增加到其峰值，此时第一开关T₁关断，并且栅极电压V_gs达到其期望值。

如[t₁；t₂]与[t₆；t₇]的比较所示，时间段[t₆；t₇]明显短于时间段[t₁；t₂]。因此，根据图3所示的本发明的示例性实施例，开关MOSFET 20所需要的实际开关时间可显著减小。如上所述，这通过提供第一开关T₁和第四开关T₄的重叠时间而实现。为此，在早于t₆时的开关动作之前的t₅时开始形成一个电感器电流I_L。为此，与图2相比，更高的初始电流对栅极充电，这使得可以对栅极电容C_gs 18更快地充电。

有利的是，通过执行参考图3所述的开关操作，即使在高开关频率下也可以执行非常高效的开关动作。同样，如图2中时序图36的V_GS与图3中的时序图46的比较所示，t₆和t₇之间的电压斜率明显陡于t₁和t₂之间的电压斜率。

在第三开关T₃于t₉关断之前，第二开关T₂在t₈时接通。这提供了从t₈到t₉的重叠时间段，在该重叠时间段中，第二晶体管T₂和控制MOSFET 20的开关动作的第三开关T₃接通，其中第二晶体管T₂将MOSFET 20的栅极通过电感器L₁ 16与地(电源2的-)连接，并且第三开关T₃连接到MOSFET 20的栅极。这样，通过形成电感器电流I_L而对电感器L₁ 16进行预充电。然后，在t₉时，第三晶体管T₃关断。这使得栅极电压V_GS急剧下降，如从时序图46看出的那样。此外，这还导致电感器L₁ 16进一步充电到t₁₀为止，此时第二晶体管T₂关断，第四晶体管T₄接通，电感器电流I_L达到其峰值，并且栅极电压V_GS下降到地电压。然后，在t₁₀之后，电感器电流I_L几乎线性下降为零，如从时序图44所看出的那样。

如时间段[t₉；t₁₀]与图2的时序图36的时间段[t₃；t₄]的比较所示，时间段[t₉；t₁₀]明显短于时间段[t₃；t₄]。因此电压V_GS在[t₉；t₁₀]期间的电压降明显陡于[t₃；t₄]期间的电压降。

从图3可以得出，通过在第二开关T₂和第三开关T₃之间提供重叠时间可实现非常快速并且高效的开关(关断开关)动作。这样，在t₉时的开关动作之前的[t₈；t₉]期间形成一个电感器电流I_L。为此，高得多的初始电流I_L对MOSFET20的栅极充电，这使得栅极电容C_GS 18可以更快速地充电。

根据本发明的一个方面，执行预充电，以使得电感器电流I_L在控制MOSFET20的对应开关T₃和T₄的开关动作之前近似达到其峰值的一半。

因此，如上所述，提供根据本发明的示例性实施例的一种操作谐振栅极驱动器电路以驱动MOSFET的方法，以及提供一种用于控制该谐振栅极驱动器电路的各开关的控制电路，从而使得可以实现快速开关动作以及高效率的组合。有利的是，这使得该谐振栅极驱动器电路可应用于例如具有以高开关频率工作的MOSFET的功率电子装置中。例如，其可有利地用于具有特殊需求的SMPS中，例如平坦度、尺寸、EMI或者动态特性方面地特殊需求。示例性的应用领域例如是用于数据处理器的VRM、用于平面显示器的SMPS或者用于音频装置的SMPS。

代替使用在上述示例性实施例中的MOSFET，本发明还适用于几乎所有类型的电压控制型半导体开关，例如IGBT。此外，本发明还可应用于电流控制型半导体器件中，例如双极型晶体管、闸流晶体管以及三端双向可控硅开关元件(triac)。

Claims (9)

1、一种操作用于驱动半导体开关的谐振驱动器电路的方法，其中该驱动器电路包括第一开关和第二开关，第一开关用于将电源通过电感器连接到该半导体开关的控制端，第二开关连接到该半导体开关的控制端以用于控制该半导体开关的开关动作，该方法包括以下步骤：在第二开关的开关动作之前对该电感器进行预充电。

2、权利要求1的方法，其中该半导体开关是一个电压控制型开关，其中通过在第二开关的开关动作之前形成一个电感器电流而对该电感器进行预充电。

3、权利要求2的方法，其中通过提供一个时间段而形成所述电感器电流，在该时间段期间第一开关和第二开关都接通。

4、权利要求3的方法，其中所述半导体开关在其控制端处具有输入电容，并且其中所述初始电流使得该半导体开关可以快速开关。

5、权利要求2的方法，其中所述预充电被这样执行：在第二开关的开关动作之前，所述电感器电流近似达到其峰值的一半。

6、权利要求1的方法，其中所述驱动器电路还包括：设置在电源电压和该电感器的第一端之间的第三开关；设置在地和该电感器的第一端之间的第四开关；设置在电源电压和该电感器的第二端之间的第五开关，其中该电感器的第二端连接到所述MOSFET的栅极；设置在地和该电感器的第二端之间的第六开关；其中，一个电容被设置在该电感器的第二端和地之间；其中，第一开关是第三开关和第四开关当中的一个；其中，当第一开关是第三开关时，第二开关是第六开关；并且其中当第一开关是第四开关时，第二开关是第五开关，这样，为了接通该MOSFET，第六开关在第三开关接通后的第一时间段内保持接通，而为了关断该MOSFET，第五开关在第四开关接通后的第二时间段内保持接通。

7、权利要求1的方法，其中所述半导体开关是MOSFET。

8、一种操作用于驱动半导体开关的谐振驱动器电路的控制电路，其中该驱动器电路包括第一开关和第二开关，第一开关用于将电源通过电感器连接到该半导体开关的控制端，第二开关连接到该半导体开关的栅极以用于控制该半导体开关的开关动作，该控制电路包括：一个开关控制器，其用于控制第一和第二开关的开关动作，使得该电感器在第二开关的开关动作前被预充电。

9、权利要求8的控制电路，其中通过在第二开关的接通之前形成一个电感器电流而对该电感器进行预充电，这是通过由该开关控制器控制第一和第二开关的开关动作以使得第二开关在第一开关关断之前接通而实现的。

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