CN219718082U - 一种开关器件驱动电路及电源模块 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种开关器件驱动电路及电源模块，当控制器输出的PWM控制信号为低电平信号时，第二开关管的第二端的电压大于第二开关管的第一端的电压，第二开关管切换为导通状态，第一开关管的寄生电容Cgs通过第二开关管快速放电，第一开关管切换为断开状态，第一开关管的第二端电压迅速上升，并给第一开关管的寄生电容Cgd充电，充电电流通过第二开关管流回地。寄生电容Cgd的充电回路中第二开关管导通短路了寄生电感L，避免了LC谐振。

Description

一种开关器件驱动电路及电源模块

技术领域

本申请涉及电源领域，具体而言，涉及一种开关器件驱动电路及电源模块。

背景技术

氮化镓器件在PD充电领域的应用越来越广泛，PD适配器的功率密度也越来越大，PCBA内部也通过堆叠技术最大程度的利用的内部空间，在受局限的空间布局情况下控制器的PWM输出信号到氮化镓器件的栅极的走线无法做到短，从而会引入很大的寄生电感，这个寄生电感会与氮化镓器件的Cgd寄生电容在PWM下降沿时发生谐振。

由于氮化镓器件的Vth阈值较低(0.9V)，谐振容易导致氮化镓器件误导通，从而使电源工作不稳定，甚至发生炸机现象。因此，如何抑制谐振成为了本领域技术人员所关注的难题。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种开关器件驱动电路及电源模块，以至少部分改善上述问题。

为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供一种开关器件驱动电路，所述开关器件驱动电路包括控制器101、第一电阻R1、第二电阻R2、第一开关管Q1以及第二开关管Q2；所述第一电阻R1的第一端连接于所述控制器101，所述第二电阻R2的一端连接于所述第一电阻R1的另一端，在所述第二电阻R2和所述第一电阻R1之间引出接线端子，所述接线端子连接于所述第一开关管Q1的第一端，所述第二电阻R2的另一端连接于参考地；所述第二开关管Q2的第一端连接于所述第一电阻R1和所述控制器101之间，所述第二开关管Q2的第二端连接于所述第二电阻R2和所述第一电阻R1之间，所述第二开关管Q2的第三端连接于所述参考地；所述第一开关管Q1的第二端连接于上级电路200，所述第一开关管Q1的第三端连接于所述参考地。

第二方面，本申请实施例提供一种电源模块，所述电源模块包括上述的开关器件驱动电路。

相对于现有技术，本申请实施例所提供的一种开关器件驱动电路及电源模块，当PWM控制信号为低电平信号时，第二开关管Q2的第二端的电压大于第二开关管Q2的第一端的电压，第二开关管Q2切换为导通状态，第一开关管Q1的寄生电容Cgs通过第二开关管Q2快速放电，第一开关管Q1切换为断开状态，第一开关管Q1的第二端电压迅速上升，并给第一开关管Q1的寄生电容Cgd充电，充电电流通过第二开关管Q2流回地。寄生电容Cgd的充电回路中第二开关管Q2导通短路了寄生电感L，避免了LC谐振。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1为本申请实施例提供的开关器件驱动电路的连接示意图之一；

图2为本申请实施例提供的第一开关管Q1栅极的驱动波形示意图之一；

图3为本申请实施例提供的Vds与Ids交越波形示意图之一；

图4为本申请实施例提供的Vds与Ids交越波形示意图之二；

图5为本申请实施例提供的开关器件驱动电路的连接示意图之二；

图6为本申请实施例提供的开关器件驱动电路的连接示意图之三；

图7本申请实施例提供的第一开关管Q1栅极的驱动波形示意图之二；

图8本申请实施例提供的上级电路的连接示意图之一；

图9本申请实施例提供的上级电路的连接示意图之二。

图中：101-控制器；200-上级电路；201-变压器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在一种可能的实现方式中，可以通过优化PCB布局走线，调整驱动电阻大小，以抑制谐振。但是，优化PCB布局走线会与最大程度利用PCB内部空间相冲突，调整驱动电阻来减小振铃会降低氮化镓器件的关断速度，增加关断损耗。

请参考图1，图1为本申请实施例提供的开关器件驱动电路的连接示意图之一。开关器件驱动电路包括第三二极管D3、第四电阻R4、第五电阻R5以及第六电阻R6，其中，Cgd和Cgs表示第一开关管Q1(例如为氮化镓器件)的寄生电容，具体连接关系如图1所示。控制器通过输出PWM控制信号调节第一开关管Q1的通断状态，因为第一开关管Q1存在寄生电容，需要对其进行放电，第三二极管D3和第四电阻R4为驱动放电回路。请参考图2，图2为本申请实施例提供的第一开关管Q1栅极的驱动波形示意图之一，需要说明的是，图2与图1对应。由图2可知，在驱动关闭时发生振荡。可选地，通过调整第四电阻R4阻值大小可以有效的减小谐振的幅值，但是增大第四电阻R4会减缓Vds的下降速度，增加关断损耗。具体地，请参考图3和图4，图3为本申请实施例提供的Vds与Ids交越波形示意图之一，图4为本申请实施例提供的Vds与Ids交越波形示意图之二。具体地，当第四电阻R4为0Ω时，交越波形如图3所示，交越时间150nS，当第四电阻R4为100Ω时，交越波形如图4所示，交越时间260nS。对比图3和图4可知，增大第四电阻R4会减缓Vds的下降速度，增加关断损耗。

在堆叠设计中引入的栅端寄生电感时，为了在不影响效率的情况下，解决氮化镓器件在关闭期间造成的谐振问题，本申请实施例还提供了一种开关器件驱动电路，利用三极管或者MOSFET的阈值电压将氮化镓的谐振的振幅控制在氮化镓的Vth阈值以下。

具体地，请参考图5，图5为本申请实施例提供的开关器件驱动电路的连接示意图之二。如图5所示，开关器件驱动电路包括控制器101、第一电阻R1、第二电阻R2、第一开关管Q1以及第二开关管Q2。

第一电阻R1的第一端连接于控制器101，第二电阻R2的一端连接于第一电阻R1的另一端，在第二电阻R2和第一电阻R1之间引出接线端子，接线端子连接于第一开关管Q1的第一端，第二电阻R2的另一端连接于参考地。在第一电阻R1和控制器101之间可能存在走线、过孔以及连接器等引入的寄生电感L。

第二开关管Q2的第一端连接于第一电阻R1和控制器101之间，第二开关管Q2的第二端连接于第二电阻R2和第一电阻R1之间，第二开关管Q2的第三端连接于参考地。

第一开关管Q1的第二端连接于上级电路200，第一开关管Q1的第三端连接于参考地。

控制器101可以输出PWM控制信号，包括高电平信号和低电平信号。当控制器101输出高电平信号时，第二开关管Q2处于断开状态，第一开关管Q1处于导通状态，当控制器101的输出由高电平信号转变为低电平信号时，第二开关管Q2切换为导通状态，第一开关管Q1切换为断开状态。即控制器101可以通过PWM控制信号控制第一开关管Q1的通断状态，进而可以对上级电路200进行控制。

具体地，当PWM控制信号为高电平信号时，PWM控制信号通过寄生电感L、第一电阻R1传递到第一开关管Q1的第一端，给寄生电容Cgs充电，给寄生电容Cgd放电。此时，第二开关管Q2的第二端的电压(Ve)小于第二开关管Q2的第一端的电压(Vb)，第二开关管Q2处于断开状态(又称为截至状态)，第一开关管Q1处于导通状态。

当PWM控制信号为低电平信号时，第二开关管Q2的第一端的电压(Vb)等于0V，由于有寄生电容Cgd和寄生电容Cgs的存在，第二开关管Q2的第二端初始的瞬时电压(Ve)为驱动电压(例如6V)，第二开关管Q2的第二端的电压(Ve)大于第二开关管Q2的第一端的电压(Vb)，第二开关管Q2切换为导通状态，寄生电容Cgs通过第二开关管Q2快速放电，第一开关管Q1切换为断开状态，Vds电压迅速上升，并给寄生电容Cgd充电，充电电流通过第二开关管Q2流回地。寄生电容Cgd的充电回路中第二开关管Q2导通短路了寄生电感L，避免了LC谐振。

可选地，第二开关管Q2为PNP型双极型晶体管或者MOSFET。

在一种可能的实现方式中，第二开关管Q2为PNP三极管，第二开关管Q2的第一端为PNP三极管的基极，第二开关管Q2的第二端为PNP三极管的发射极，第二开关管Q2的第三端为PNP三极管的集电极。

在一种可能的实现方式中，第二开关管Q2为PMOS管，第二开关管Q2的第一端为PMOS管的栅极，第二开关管Q2的第二端为PMOS管的源极，第二开关管Q2的第三端为所PMOS管的漏极。

可选地，为了对第一开关管Q1进行保护，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考图6，图6为本申请实施例提供的开关器件驱动电路的连接示意图之三。如图6所示，开关器件驱动电路还包括稳压二极管D1，稳压二极管D1的正极连接于参考地，稳压二极管D1的负极连接于第一电阻R1与第二电阻R2之间的接线端子，即连接于第一开关管Q1的第一端。

应理解，稳压二极管D1用于进行电压钳位，避免第一开关管Q1的第一端和第三端之间的压差过大，从而对第一开关管Q1进行保护。

请继续参考图6，在一种可能的实现方式中，开关器件驱动电路还包括第三电阻R3，第三电阻R3的一端连接于第二开关管Q2的第二端，第三电阻R3的另一端连接于第二电阻R2和第一电阻R1之间。

应理解，第三电阻R3可以用于限定流过第二开关管Q2的电流大小，改变寄生电容的充放电速度，从而控制第一开关管Q1响应PWM控制信号的速度。

在一种可能的实现方式中，第二电阻R2到第一开关管Q1的第一端之间的走线距离小于第一预设距离值。

和/或，第一电阻R1到第一开关管Q1的第一端之间的走线距离小于第二预设距离值；

和/或，第二开关管Q2的第二端到第一开关管Q1的第一端之间的走线距离小于第三预设距离值。

通过限定第二电阻R2到第一开关管Q1之间的走线距离、第一电阻R1到第一开关管Q1之间的走线距离以及第二开关管Q2到第一开关管Q1之间的走线距离避免引入其他的寄生电感，从而避免出现谐振。

可选地，第一开关管Q1为氮化镓开关(Gan HMET)。例如，第一开关管Q1的第一端为氮化镓开关的栅极，第一开关管Q1的第二端为氮化镓开关的漏极，第一开关管Q1的第三端为氮化镓开关的源极。

请参考图7，图7为本申请实施例提供的第一开关管Q1栅极的驱动波形示意图之二，需要说明的是，图7与图5对应。如图7所示，本申请实施例提供的开关器件驱动电路中，第一开关管Q1栅极驱动波形干净无振铃，且使放电回路电阻为0Ω，Vds与Ids的交越时间没有增加，对效率没有影响。

关于上级电路200，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考图8，图8为本申请实施例提供的上级电路的连接示意图之一。如图8所示，上级电路200包括第一电感L1和第二二极管D2，第一电感L1的一端用于连接于驱动电源(Vin)，第一电感L1的另一端连接于第二二极管D2的正极，第二二极管D2的负极作为上级电路200的输出端；第一开关管Q1的第二端连接于第一电感L1和第二二极管D2之间。

关于上级电路200，本申请实施例还提供了一种可能的实现方式，请参考图9，图9为本申请实施例提供的上级电路的连接示意图之二。如图9所示，上级电路200包括第一电容C1和变压器201，变压器201的第一端用于连接于驱动电源(Vin)，第一电容C1的一极连接于变压器201的第一端，第一电容C1的另一极接地。变压器201的第二端连接于第一开关管Q1的第二端。变压器201的第三端和第四端用于连接后级负载电路。

本申请实施例还提供了一种电源模块，该电源模块包括图5和图6所示的开关器件驱动电路。可选地，该电源模块还包括上述的上级电路200。

综上所述，本申请实施例提供了一种开关器件驱动电路及电源模块，当PWM控制信号为低电平信号时，第二开关管Q2的第二端的电压大于第二开关管Q2的第一端的电压，第二开关管Q2切换为导通状态，第一开关管Q1的寄生电容Cgs通过第二开关管Q2快速放电，第一开关管Q1切换为断开状态，第一开关管Q1的第二端电压迅速上升，并给第一开关管Q1的寄生电容Cgd充电，充电电流通过第二开关管Q2流回地。寄生电容Cgd的充电回路中第二开关管Q2导通短路了寄生电感L，避免了LC谐振。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。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，本申请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申请内。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。

Claims (10)

1.一种开关器件驱动电路，其特征在于，所述开关器件驱动电路包括控制器(101)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一开关管(Q1)以及第二开关管(Q2)；

所述第一电阻(R1)的第一端连接于所述控制器(101)，所述第二电阻(R2)的一端连接于所述第一电阻(R1)的另一端，在所述第二电阻(R2)和所述第一电阻(R1)之间引出接线端子，所述接线端子连接于所述第一开关管(Q1)的第一端，所述第二电阻(R2)的另一端连接于参考地；

所述第二开关管(Q2)的第一端连接于所述第一电阻(R1)和所述控制器(101)之间，所述第二开关管(Q2)的第二端连接于所述第二电阻(R2)和所述第一电阻(R1)之间，所述第二开关管(Q2)的第三端连接于所述参考地；

所述第一开关管(Q1)的第二端连接于上级电路(200)，所述第一开关管(Q1)的第三端连接于所述参考地。

2.如权利要求1所述的开关器件驱动电路，其特征在于，所述第二开关管(Q2)为PNP三极管，所述第二开关管(Q2)的第一端为所述PNP三极管的基极，所述第二开关管(Q2)的第二端为所述PNP三极管的发射极，所述第二开关管(Q2)的第三端为所述PNP三极管的集电极。

3.如权利要求1所述的开关器件驱动电路，其特征在于，所述第二开关管(Q2)为PMOS管，所述第二开关管(Q2)的第一端为所述PMOS管的栅极，所述第二开关管(Q2)的第二端为所述PMOS管的源极，所述第二开关管(Q2)的第三端为所PMOS管的漏极。

4.如权利要求1所述的开关器件驱动电路，其特征在于，当所述控制器(101)输出高电平信号时，所述第二开关管(Q2)处于断开状态，所述第一开关管(Q1)处于导通状态，当控制器(101)的输出由高电平信号转变为低电平信号时，所述第二开关管(Q2)切换为导通状态，所述第一开关管(Q1)切换为断开状态。

5.如权利要求1所述的开关器件驱动电路，其特征在于，所述开关器件驱动电路还包括稳压二极管(D1)，所述稳压二极管(D1)的正极连接于所述参考地，所述稳压二极管(D1)的负极连接于所述第一电阻(R1)与第二电阻(R2)之间的接线端子。

6.如权利要求1所述的开关器件驱动电路，其特征在于，所述开关器件驱动电路还包括第三电阻(R3)，所述第三电阻(R3)的一端连接于所述第二开关管(Q2)的第二端，所述第三电阻(R3)的另一端连接于所述第二电阻(R2)和所述第一电阻(R1)之间。

7.如权利要求1所述的开关器件驱动电路，其特征在于，所述第二电阻(R2)到所述第一开关管(Q1)的第一端之间的走线距离小于第一预设距离值；

和/或，

所述第一电阻(R1)到所述第一开关管(Q1)的第一端之间的走线距离小于第二预设距离值；

和/或，

所述第二开关管(Q2)的第二端到所述第一开关管(Q1)的第一端之间的走线距离小于第三预设距离值。

8.如权利要求1所述的开关器件驱动电路，其特征在于，所述上级电路(200)包括第一电感(L1)和第二二极管(D2)，所述第一电感(L1)的一端用于连接于驱动电源，所述第一电感(L1)的另一端连接于所述第二二极管(D2)的正极，所述第二二极管(D2)的负极作为所述上级电路(200)的输出端；

所述第一开关管(Q1)的第二端连接于所述第一电感(L1)和所述第二二极管(D2)之间。

9.如权利要求1所述的开关器件驱动电路，其特征在于，所述第一开关管(Q1)为氮化镓开关。

10.一种电源模块，其特征在于，所述电源模块包括权利要求1-9中任意一项所述的开关器件驱动电路。