TWI492534B - 電晶體模組及電晶體驅動模組 - Google Patents

Description

電晶體模組及電晶體驅動模組

本發明係關於一種電晶體驅動模組及電晶體模組，尤指一種具有過流保護之電晶體驅動模組及電晶體模組。

請參考第一圖，為傳統的直流轉直流降壓轉換電路之電路示意圖。直流轉直流降壓轉換電路包含了一控制器10、內建驅動電路之一電晶體開關20、一電感L、一輸出電容C、一電壓迴授電路VD，用以將一輸入電壓Vin轉換成一輸出電壓Vout以驅動一負載Load。控制器10接收由電壓迴授電路VD所產生的一電壓迴授訊號VFB，並據此產生一脈寬調變訊號pwm。

電晶體開關20包含一脈寬控制電路25、一上驅動電路30、一下驅動電路35、一上電晶體M1以及一下電晶體M2。脈寬控制電路25接收脈寬調變訊號pwm，以據此控制上電晶體M1及下電晶體M2的導通與截止。如此，輸入電壓Vin透過電晶體開關20傳遞的電力大小受到控制，並經電感L及輸出電容C的轉換使輸出電壓Vout可穩定於一預定的電壓值。而為了能使上電晶體M1能順利的導通與截止，一般會另外增加一自舉升壓電路(Bootstrap Circuit)，包含一二極體D及一升壓電容Cboot耦接於輸入電壓Vin及上電晶體M1與下電晶體M2的連接點之間。藉此，自舉升壓電路可提供高於上電晶體M1與下電晶體M2的連接點約等於輸入電壓Vin之電位給上驅動電路30，使上驅動電路30得以控制上電晶體M1的導通與截止。

這種內建驅動電路的電晶體開關之設計，可使控制器10不需耦接輸入電壓Vin而降低控制器10的耐壓要求。因此，控制器10的成本得以下降而減少了轉換電路的整體成本。然而，控制器10與電晶體開關20為兩個獨立的封裝，造成控制上會有時間延遲，而且由於控制器10與電晶體開關20之間僅透過脈寬調變訊號pwm溝通，控制器10也無法精準得知上電晶體M1及下電晶體M2之情況而導致實際應用時，上電晶體M1及下電晶體M2經常有過流燒毀之狀況。

鑑於先前技術中的內建驅動電路的電晶體開關容易過流燒毀之問題，本發明透過限流、過流保護之方式，避免電晶體因電流過大而燒毀而達到保護電晶體之優點。

為達上述目的，本發明提供了一種電晶體驅動模組，耦接一轉換控制器，用以驅動串聯之一上電晶體及一下電晶體，上電晶體耦接一輸入電壓，下電晶體耦接地。電晶體驅動模組包含一上驅動單元、一下驅動單元、一限流單元以及一穿越防止單元。上驅動單元根據一工作週期訊號產生一上驅動訊號以導通上電晶體，下驅動單元根據上驅動訊號產生一下驅動訊號以導通下電晶體。限流單元耦接上電晶體及上驅動單元，於流經上電晶體之一電流高於一限流值時，發出一限流訊號，以停止上驅動單元產生上驅動訊號。穿越防止單元耦接該上驅動單元及該下驅動單元以控制該上驅動訊號及該下驅動訊號產生，使上驅動訊號之時序與下驅動訊號之時序不重疊。

本發明也提供了一種電晶體模組，耦接一輸入電壓，用以根據一轉換控制器之一工作週期訊號傳送一電力至一輸出端。電晶體模組包含一上電晶體、一下電晶體、一上驅動單元、一下驅動單元、一限流單元以及一穿越防止單元。上電晶體包含一第一端、一第二端及一第一控制端，第一端耦接一輸入電壓。下電晶體包含一第三端、一第四端及一第二控制端，一第三端耦接上電晶體之第二端，而第四端耦接地。上驅動單元耦接上電晶體之第一控制端，根據工作週期訊號產生一上驅動訊號以導通上電晶體，下驅動單元耦接下電晶體之第二控制端，根據上驅動訊號產生一下驅動訊號以導通下電晶體。限流單元耦接上電晶體之第一端及第二端，於第一端及第二端間的跨壓高於一限流電壓值時發出一限流訊號，以停止上驅動單元產生上驅動訊號。穿越防止單元耦接該上驅動單元及該下驅動單元以控制該上驅動訊號及該下驅動訊號產生，使上驅動訊號之時序與下驅動訊號之時序不重疊。

以上的概述與接下來的詳細說明皆為示範性質，是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。

請參考第二圖，為根據本發明之一實施例之轉換電路之局部電路示意圖。轉換電路包含一轉換控制器(未繪出)、電晶體驅動模組100、一電感L、一輸出電容C、一上電晶體M1及一下電晶體M2，用以將一輸入電壓Vin之電力轉換而於一輸出端VO輸出。上電晶體M1及下電晶體M2串聯於輸入電壓Vin及接地電位之間，其中上電晶體M1包含一第一端、一第二端、一第一控制端，下電晶體M2包含一第三端、一第四端、一第二控制端。上電晶體M1的第一端耦接輸入電壓Vin，上電晶體M1的第二端耦接下電晶體M2的第三端，下電晶體M2的第四端耦接地。電晶體驅動模組100耦接轉換控制器以接收轉換控制器的工作週期訊號PM，以產生一上驅動訊號UG及一下驅動訊號LG，以分別控制上電晶體M1及下電晶體M2的導通與截止，其中轉換控制器係根據輸出端VO的電力(例如：輸出電壓或輸出電流)大小而產生工作週期訊號PM，而工作週期訊號PM可以是脈寬調變(Pulse Width Modulated)訊號、脈頻調變(Pulse Frequency Modulated)訊號或其組合。

電晶體驅動模組100封裝於單一封裝結構，其包含一第一及閘102、一第二及閘104、一第一反向器106、一穿越防止單元110、一限流單元112、一上驅動單元130以及一下驅動單元135。第一及閘102接收工作週期訊號PM以產生一高準位訊號至上驅動單元130，使上驅動單元130產生上驅動訊號 UG導通外接的上電晶體M1。穿越防止單元110接收上驅動訊號UG，於上驅動單元130產生上驅動訊號UG之終止時點(即上電晶體M1由導通轉為截止的時間點)後一預定時間後產生高準位之一下導通起始訊號Sug。第二及閘104接收到下導通起始訊號Sug後產生一高準位訊號至下驅動單元135，使下驅動單元135產生下驅動訊號LG導通外接的下電晶體M2。穿越防止單元110也同時接收下驅動訊號LG，於下驅動單元135產生下驅動訊號LG之終止時點(即下電晶體M2由導通轉為截止的時間點)後一預定時間後產生高準位之一上導通起始訊號Slg。第一及閘102同時接收上導通起始訊號Slg，於上導通起始訊號Slg及工作週期訊號PM同時為高準位時輸出高準位訊號，使上驅動單元130產生上驅動訊號UG。透過穿越防止單元110，可使上驅動訊號UG之時序與下驅動訊號LG之時序不重疊，也就是上電晶體M1的導通週期與下電晶體M2的導通週期之間留有死區時間(dead time)，以避免穿通(short through)發生。另外，為了使上電晶體M1能順利地被導通與截止，可增加一二極體D及一升壓電容Cboot耦接於輸入電壓Vin及上電晶體M1與下電晶體M2的連接點之間，使升壓電容Cboot可提供一高於上電晶體M1與下電晶體M2的連接點之電位給上驅動單元130。

限流單元112耦接上電晶體M1的第一端及第二端，以偵測流經上電晶體M1之電流大小。上電晶體M1導通時具有一導通阻抗，電流流過時會產生一跨壓於上電晶體M1的第一端及第二端之間。當跨壓高於一限流電壓值VIli時，代表流經上電晶體M1之電流高於一限流值，此時限流單元112發出高準位的一限流訊號SIli，經第一反向器106反向成低準位後輸入第一及閘102，以停止上驅動單元130產生上驅動訊號UG。如此，即可避免上電晶體M1因電流過大而燒毀之可能。

由於電路反應上有時間的延遲，以及一些電路上的寄生元件、雜訊或電路異常都可能使上電晶體M1的電流在頂到限流 值後仍持續上升一段時間，而使電流接近或超過上電晶體M1或下電晶體M2的耐流極限。為避免上述之問題，電晶體驅動模組100可以額外加入一過流保護單元114。過流保護單元114耦接上電晶體M1的第一端及第二端，以偵測流經上電晶體M1之電流大小。當第一端及第二端的電壓訊號Cs1、Cs2之差(即兩端的跨壓)高於一過流電壓值Vocp時，代表流經上電晶體M1之電流高於一過流值，此時過流保護單元114立即發出高準位的一過流訊號Socp。其中，過流電壓值Vocp大於限流電壓值VIli為佳。過流訊號Socp經一第二反向器108反向成低準位後輸入第一及閘102及第二及閘104，以分別停止上驅動單元130及下驅動單元135產生上驅動訊號UG及下驅動訊號LG直至電晶體驅動模組100被重新啟動為止。如此，即可避免上電晶體M1因過流過大而燒毀之可能。

請參考第三圖，為根據本發明之另一實施例之電晶體模組之電路示意圖。相較於第二圖所示之電晶體驅動模組100，本實施例之電晶體模組200將上電晶體M1及下電晶體M2與電晶體驅動模組封裝於同一封裝結構。電晶體模組200包含一第一及閘202、一第二及閘204、一第一反向器206、一驅動切換單元209、一穿越防止單元210、一限流單元212、一上驅動單元230、一下驅動單元235、一上電晶體M1以及一下電晶體M2。上電晶體M1的第一端透過輸入電源腳位VCC耦接輸入電壓，上電晶體M1的第二端耦接下電晶體M2的第三端並連接至一連接點腳位Phase，下電晶體M2的第四端透過接地腳位GND耦接地。上驅動單元230透過一升壓腳位Boot耦接自舉升壓電路(未繪出)。第一及閘202透過控制訊號腳位PWM接收轉換控制器(未繪出)的工作週期訊號PM。驅動切換單元209可以是一反向器，將工作週期訊號PM反向後輸入第二及閘204，使第一及閘202與第二及閘204產生高準位輸出訊號的時序彼此反相。另外，在本實施例中的穿越防止單元210可以是由兩個反向器組成，分別用以將上驅動訊號 UG反向後輸入第二及閘204及將下驅動訊號LG反向後輸入第一及閘202，使上電晶體M1及下電晶體M2的導通時序彼此錯開而達到防止穿越之保護作用。其餘電路之操作與第二圖所示之電晶體驅動模組100相同，在此不累述。以下就兩實施例之電路差異點進行說明。

在本實施例，過流保護單元214耦接下電晶體M2的第三端及第四端，以偵測流經下電晶體M2之電流大小。當第三端及第四端的電壓訊號Cs3、Cs4之差(即兩端的跨壓)高於過流電壓值Vocp時，代表流經下電晶體M2之電流高於過流值，此時過流保護單元214立即持續發出高準位的一過流訊號Socp。由於下電晶體M2的第四端耦接地，偵測下電晶體M2以作為過流之判斷可以降低電路雜訊之干擾而有更精確的過流判斷。為了避免上電晶體M1由導通轉截止到下電晶體M2導通的死區時間內，因上電晶體M1與下電晶體M2的連接點Phase的突波(Spike)而影響過流判斷，可以另外增加一操作暫停單元218來避免。操作暫停單元218耦接該過流保護單元214及上驅動單元230，於偵測到上驅動訊號UG之終止時點時(即上電晶體M1由導通轉為截止之時間點)開始的一預定暫停時間長度內，發出一操作暫停訊號Std至過流保護單元214。過流保護單元214於接收到操作暫停訊號Std的時間內停止操作。

另外，在本實施例中額外設置了一計數單元216，用以計數過流保護單元214產生過流訊號Socp的次數。當產生過流訊號Socp的次數到達一預定次數值時產生高準位之一保護訊號Stu。保護訊號Stu經一第二反向器208反向成低準位後輸入第一及閘202及第二及閘204，以分別停止上驅動單元230及下驅動單元235產生上驅動訊號UG及下驅動訊號LG直至電晶體模組200被重新啟動為止。透過計數單元216可以濾除因雜訊等所造成的過流誤判。

當然，也可以增加計數單元(未繪出)於限流單元212之 後以接收限流訊號SIli並於以計數。於計數之次數達預定次數值時才將保護訊號傳送至第一及閘202以停止上驅動單元230。

另外，本發明可於發生限流或/及過流之情況通知前級的轉換控制器，使轉換控制器進行對應的保護。如第三圖所示，可額外增加一錯誤通知單元240，接收限流訊號SIli或/及保護訊號Stu，並據此產生一錯誤訊號Fault以通知外部電路。

電晶體模組200中也可以設置一逆流防止單元220，以防止流經下電晶體M2的電流發生逆流，即電流由連接點腳位Phase流入，經下電晶體M2而由接地腳位GND流出。逆流的發生不僅會降低電路的不必要功率而降低效率外，也可能使輸出較不穩定。逆流防止單元220耦接下電晶體M2的第三端及第四端，以根據電壓訊號Cs3、Cs4進行判斷，於流經下電晶體M2之電流低於一逆流判斷值Vcr時，產生低準位之一逆流防止訊號Scr至第二及閘204，以停止下驅動單元235產生下驅動訊號LG，使下電晶體M2截止。

再者，本實施例之電晶體模組200也可以透過一模式選擇腳位MODE接收一模式選擇訊號Smode。當模式選擇訊號Smode為高準位時，下驅動單元235維持正常操作。當模式選擇訊號Smode為低準位時，下驅動單元235停止操作。例如：當輕載時，模式選擇訊號Smode可以為低準位，使下電晶體M2停止切換，以減少電路的切換損耗。

本發明透過上述的限流之方式，可使流經電晶體的電流被限制在限流值之內；或電路異常或其他原因造成電流無法被有效限制於限流值之內時，透過過流保護之方式停止電晶體之切換，因此可以有效避免電晶體因電流過大而燒毀而達到保護電晶體之優點。

如上所述，本發明完全符合專利三要件：新穎性、進步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而 不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專利範圍所界定者為準。

先前技術：

10‧‧‧控制器

20‧‧‧電晶體開關

25‧‧‧脈寬控制電路

30‧‧‧上驅動電路

35‧‧‧下驅動電路

L‧‧‧電感

C‧‧‧輸出電容

VD‧‧‧電壓迴授電路

Vin‧‧‧輸入電壓

Vout‧‧‧輸出電壓

Load‧‧‧負載

VFB‧‧‧電壓迴授訊號

pwm‧‧‧脈寬調變訊號

M1‧‧‧上電晶體

M2‧‧‧下電晶體

D‧‧‧二極體

Cboot‧‧‧升壓電容

本發明：

100‧‧‧電晶體驅動模組

102、202‧‧‧第一及閘

104、204‧‧‧第二及閘

106、206‧‧‧第一反向器

108、208‧‧‧第二反向器

110、210‧‧‧穿越防止單元

112、212‧‧‧限流單元

114、214‧‧‧過流保護單元

130、230‧‧‧上驅動單元

135、235‧‧‧下驅動單元

200‧‧‧電晶體模組

209‧‧‧驅動切換單元

216‧‧‧計數單元

218‧‧‧操作暫停單元

220‧‧‧逆流防止單元

240‧‧‧錯誤通知單元

PM‧‧‧工作週期訊號

Sug‧‧‧下導通起始訊號

Slg‧‧‧上導通起始訊號

D‧‧‧二極體

Cboot‧‧‧升壓電容

VIli‧‧‧限流電壓值

SIli‧‧‧限流訊號

Cs1、Cs2、Cs3、Cs4‧‧‧電壓訊號

Vocp‧‧‧過流電壓值

Socp‧‧‧過流訊號

L‧‧‧電感

C‧‧‧輸出電容

M1‧‧‧上電晶體

M2‧‧‧下電晶體

Vin‧‧‧輸入電壓

VO‧‧‧輸出端

UG‧‧‧上驅動訊號

LG‧‧‧下驅動訊號

VCC‧‧‧電源腳位

Phase‧‧‧連接點腳位

GND‧‧‧接地腳位

Boot‧‧‧升壓腳位

PWM‧‧‧控制訊號腳位

Std‧‧‧操作暫停訊號

Stu‧‧‧保護訊號

Vcr‧‧‧一逆流判斷值

Scr‧‧‧逆流防止訊號

MODE‧‧‧模式選擇腳位

Smode‧‧‧模式選擇訊號

Fault‧‧‧錯誤訊號

第一圖為傳統的直流轉直流降壓轉換電路之電路示意圖。

第二圖為根據本發明之一實施例之轉換電路之局部電路示意圖。

第三圖為根據本發明之另一實施例之電晶體模組之電路示意圖。

100．．．電晶體驅動模組

102．．．第一及閘

104．．．第二及閘

106．．．第一反向器

108．．．第二反向器

110．．．穿越防止單元

112．．．限流單元

114．．．過流保護單元

130．．．上驅動單元

135．．．下驅動單元

PM．．．工作週期訊號

Sug．．．下導通起始訊號

Slg．．．上導通起始訊號

D．．．二極體

Cboot．．．升壓電容

VIli．．．限流電壓值

SIli．．．限流訊號

Cs1、Cs2．．．電壓訊號

Vocp．．．過流電壓值

Socp．．．過流訊號

L．．．電感

C．．．輸出電容

M1．．．上電晶體

M2．．．下電晶體

Vin．．．輸入電壓

VO．．．輸出端

UG．．．上驅動訊號

LG．．．下驅動訊號

Claims (16)

1. 一種電晶體驅動模組，封裝於單一封裝結構，耦接一轉換控制器，用以驅動串聯之一上電晶體及一下電晶體，該上電晶體耦接一輸入電壓，該下電晶體耦接地，該電晶體驅動模組包含：一上驅動單元，根據該轉換控制器之一工作週期訊號產生一上驅動訊號以導通該上電晶體；一下驅動單元，根據該上驅動訊號產生一下驅動訊號以導通該下電晶體；一限流單元，耦接該上電晶體及該上驅動單元，於流經該上電晶體之一電流高於一限流值時，發出一限流訊號，以停止該上驅動單元產生該上驅動訊號；以及一穿越防止單元，耦接該上驅動單元及該下驅動單元以控制該上驅動訊號及該下驅動訊號產生，使該上驅動訊號之時序與該下驅動訊號之時序不重疊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電晶體驅動模組，更包含一過流保護單元，於流經該上電晶體之該電流高於一過流值時，產生一過流訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電晶體驅動模組，更包含一過流保護單元，於流經該下電晶體之一電流高於一過流值時，產生一過流訊號。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電晶體驅動模組，更包含一操作暫停單元，耦接該過流保護單元，於每次該上驅動單元產生該上驅動訊號之終止時點之一預定暫停時間長度內，停止該過流保護單元之操作。
5. 如申請專利範圍第2項至第4項其中之一所述之電晶 體驅動模組，更包含一計數單元耦接該過流保護單元，當該過流訊號之產生次數高於一預定次數值時產生一保護訊號，以停止該上驅動單元及該下驅動單元操作。
6. 如申請專利範圍第1項至第4項其中之一所述之電晶體驅動模組，更包含一逆流防止單元，於流經該下電晶體之一電流低於一逆流判斷值時，產生一逆流防止訊號，以停止該下驅動單元產生該下驅動訊號。
7. 如申請專利範圍第1項至第4項其中之一所述之電晶體驅動模組，其中該電晶體驅動模組接收一模式選擇訊號時，停止該下驅動單元操作。
8. 如申請專利範圍第1項至第3項其中之一所述之電晶體驅動模組，更包含一錯誤通知單元，根據該限流訊號或該過流訊號產生一錯誤訊號以通知一外部電路。
9. 一種電晶體模組，封裝於單一封裝結構，耦接一輸入電壓，用以根據一轉換控制器之一工作週期訊號傳送一電力至一輸出端，該電晶體模組包含：一上電晶體，包含一第一端、一第二端及一第一控制端，該第一端耦接該輸入電壓；一下電晶體，包含一第三端、一第四端及一第二控制端，一第三端耦接該上電晶體之該第二端，而該第四端耦接地；一上驅動單元，耦接該上電晶體之該第一控制端，根據該工作週期訊號產生一上驅動訊號以導通該上電晶體；一下驅動單元，耦接該下電晶體之該第二控制端，根據該上驅動訊號產生一下驅動訊號以導通該下電晶體；一限流單元，耦接該上電晶體之該第一端及該第二端，於該第一端及該第二端間的跨壓高於一限流電壓值時，發出一限 流訊號，以停止該上驅動單元產生該上驅動訊號；以及一穿越防止單元，耦接該上驅動單元及該下驅動單元以控制該上驅動訊號及該下驅動訊號產生，使該上驅動訊號之時序與該下驅動訊號之時序不重疊。
10. 如申請專利範圍第9項所述之電晶體模組，更包含一過流保護單元，於該第一端及該第二端間的該跨壓高於一過流電壓值時，產生一過流訊號。
11. 如申請專利範圍第9項所述之電晶體模組，更包含一過流保護單元，於該下電晶體之該第三端與該第四端間的跨壓高於一過流電壓值時，產生一過流訊號。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電晶體模組，更包含一操作暫停單元，耦接該過流保護單元，於每次該上驅動單元產生該上驅動訊號之終止時點之一預定暫停時間長度內，停止該過流保護單元之操作。
13. 如申請專利範圍第9項至第12項其中之一所述之電晶體模組，更包含一計數單元耦接該過流保護單元，當該過流訊號之產生次數高於一預定次數值時產生一保護訊號，以停止該上驅動單元及該下驅動單元操作。
14. 如申請專利範圍第9項至第12項其中之一所述之電晶體模組，更包含一逆流防止單元，於該下電晶體之該第三端與該第四端間的跨壓低於一逆流判斷電壓值時，產生一逆流防止訊號，以停止該下驅動單元產生該下驅動訊號。
15. 如申請專利範圍第9項至第12項其中之一所述之電晶體模組，其中該電晶體驅動模組接收一模式選擇訊號時，停 止該下驅動單元操作。
16. 如申請專利範圍第9項至第11項其中之一所述之電晶體驅動模組，更包含一錯誤通知單元，根據該限流訊號或該過流訊號產生一錯誤訊號以通知一外部電路。