绝缘栅功率控制器件的驱动装置制造方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种绝缘栅功率控制器件的驱动装置，包括与绝缘栅功率控制器件连接的驱动电路；所述驱动电路包括驱动电源、用于控制绝缘栅极功率控制器件的上拉驱动的高边驱动回路和用于控制绝缘栅极功率控制器件的下拉驱动的低边驱动回路。采用本发明所述的绝缘栅功率控制器件的驱动装置，具有工作电压低、电源效率高、成本低廉、驱动电流大、速度快、电路简单、可靠性高、易于集成以及便于推广的特点。
【专利说明】绝缘栅功率控制器件的驱动装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种绝缘栅电压控制器件的运用，尤其涉及一种绝缘栅功率控制器件的驱动装置。
【背景技术】
[0002]开关电源技术近年来获得飞速发展，MOSFET, IGBT等绝缘栅电压控制器件得到广泛使用，但是所有电压控制器件要获得快速导通和关断都需要有比传统晶体管更高的电压和脉冲大电流驱动，近年来全球工程师开发的驱动电路多达数百种，但最典型的则是以MOSFET作为绝缘栅电压控制器件，它的控制特性可以等效为两个串联的极间电容Cgs和Cgd,而控制端就是所述两个电容的中间连接点。如果MOSFET的漏极D极输出端电压不变，Cgd仅相当于并联在Cgs上，器件控制特性仍然等效于一个电容，只是容量稍微增大了而已。但是，实际上MOSFET的工作情况要复杂得多，绝大多数情况下栅极电压Vds会发生大幅度快速变化，由于栅极G极与D极的反相特性，使得Cgd会将控制驱动的电流大量分流。所以，实际工作中，要快速驱动一个M0SFET，特别是大功率M0SFET，需要很大的脉冲电流才行。为了提供足够大的驱动电流，驱动极就需要有大电流输出，但持续的大电流不仅造成电路严重发热，降低系统可靠性，而且浪费能源，降低系统效率。
[0003]为了得到足够大的驱动电流，又不让电路持续维持在大电流的状态下，常见的做法是:将绝缘栅电压控制器件的驱动器设计成射极跟随器的形式，但这样做，不管是高边还是低边都会有至少0.S^lV的导通压降损失，对于3.3V的电源系统，就只剩下1.3^1.7VP-P的摆幅，不仅不能快速开关，甚至无法可靠地开启电压控制器件，尤其在单节锂离子电池供电的领域，新一代磷酸 铁锂动力电池的工作电压可以低达2.5V甚至更低，但通常的驱动电路是无法在如此低的电压下工作的。
[0004]根据上面对MOSFET工作状态的分析，普遍存在以下问题:
1、现有绝缘栅电压控制器件驱动电路要求的工作电压较高、电压利用率低，在单节锂离子电池供电的系统中，不能满足快速驱动绝缘栅电压控制器件的要求；
2、现有简单绝缘栅电压控制器件驱动电路驱动电流较低，无法快速开关大电流器件；
3、现有专用于绝缘栅电压控制器件的驱动集成电路虽然性能好，但不仅要求的工作电压较高，而且成本很高。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于，提供一种绝缘栅功率控制器件的驱动装置，具有工作电压低、电源利用效率高、成本低廉、驱动电流大、速度快、电路简单、可靠性高、易于集成、便于推广的特点。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种绝缘栅功率控制器件的驱动装置，包括与绝缘栅功率控制器件连接的驱动电路；所述驱动电路包括驱动电源、用于控制绝缘栅极功率控制器件的上拉驱动的高边驱动回路和用于控制绝缘栅极功率控制器件的下拉驱动的低边驱动回路。
[0007]对于上述技术方案的改进，所述高边驱动回路包括第一三极管、第一电容、第一二极管、第一电阻和第三电阻；所述低边驱动回路包括第二三极管、第二电容、第二二极管、第二电阻和第四电阻；所述第一电阻、第一电容、第二电容、第二电阻和驱动电源顺次串联构成回路；所述第一二极管的正极连接于所述第一电容和第一电阻之间，并且还与所述第一三极管的基极连接；所述第一二极管的负极分别与所述第一三极管的发射极、第一电阻以及驱动电源正极连接；所述第二二极管的正极与所述第二三极管的发射极、第二电阻以及驱动电源负极连接；所述第二二极管的负极连接于所述第二电容和第二电阻之间，并且还与所述第二三极管的基极连接；所述第一三极管的集电极连接有第三电阻，所述第二三极管的集电极连接所 述第四电阻，所述第三电阻与所述第四电阻串联；所述绝缘栅功率控制器件的栅极连接于所述第三电阻和所述第四电阻之间。
[0008]对于上述技术方案的进一步改进，所述驱动电源为2.8^4.2V的直流电源。
[0009]对于上述技术方案的进一步改进，所述第一三极管和所述第二三极管采用的是具有大电流输出能力的晶体管。
[0010]对于上述技术方案的进一步改进，所述第一二极管和第二二极管采用的是快速
开关硅二极管。
[0011]本发明所述的绝缘栅功率控制器件的驱动装置，适用于低电压快速驱动绝缘栅功率控制器件的场合，包括与绝缘栅功率控制器件连接的驱动电路以及绝缘栅功率控制器件的下偏置电阻；所述驱动装置包括与绝缘栅功率控制器件连接的驱动电路，所述驱动电路包括驱动电源、高边驱动回路和低边驱动回路，所述高边驱动回路和低边驱动回路为上下对称的两部分，其中所述高边驱动回路负责绝缘栅功率控制器件的上拉；所述低边驱动回路负责绝缘栅功率控制器件的下拉驱动。
[0012]驱动输入信号Driver上跳变时，下半部分电路导通，将被控制的绝缘栅控制器件的栅极电位拉低；驱动输入信号Driver下跳变时，上半部分电路导通，将被控制的绝缘栅控制器件的栅极电位拉高。
[0013]采用本发明所述的绝缘栅功率控制器件的驱动装置，具有工作电压低、电源利用效率高、成本低廉、驱动能力强、速度快、电路简单、可靠性高、易于集成以及便于推广的特点。
[0014]综上所述，运用本发明所述的技术方案，采用二极管、三极管以及电阻、电容简单的组合成集电极输出的放大形式的对称电路，从而使得输出电平可以高效地从0.1V到少于电源电压0.1V的满幅的摆幅，其中第三电阻和第四电阻为防振和上电冲击电流限制电阻，协调整个电路的工作速度，并保护第一三极管和第二三极管在上电时免于损坏。
[0015]实施本发明实施例，具有如下有益效果:
(1)工作电压低；
(2)成本低廉；
(3)速度快；
(4)可靠性高；
(5)输出驱动能力强。【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明所述的绝缘栅功率控制器件的驱动装置在实施例1中的电路原理图；
图2是本发明所述的绝缘栅功率控制器件的驱动装置在实施例2中的电路原理图。【具体实施方式】
[0017]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
[0018]实施例1:
如图1所示，本发明所述的绝缘栅功率控制器件的驱动装置，包括与绝缘栅功率控制器件I连接的驱动电路2 ;本实施例采用的绝缘栅功率控制器件I是包括M0SEFT、电阻R5和R6，其中电阻R5是被MOSEFT驱动的输出负载，R6为静电泄放电阻，当然所述绝缘功率控制器件I不仅限于本实施例如图1中的MOSEFT与电阻R5和R6的组成，其中MOSEFT可以是IGBT或其它绝缘栅功率控制器件；所述驱动电路2包括驱动电源BT、高边驱动回路21和低边驱动回路22，所述高边驱动电路21与所述低变驱动电路22为上下对称结构，所述高边驱动回路21包括第一三极管Q1、第一电容Cl、第一二极管D1、第一电阻Rl和第三电阻R3 ;所述低边驱动回路22包括第二三极管Q2、第二电容C2、第二二极管D2、第二电阻R2和第四电阻R4 ;所述驱动电源为2.8^4.2V的直流电源，采用3.3V较为普遍；所述第一三极管Ql和第二三极管Q2采用的都是具有大电流输出能力的晶体管，本实施例中采用的第一三极管Ql的型号是SS8550，第二三极管Q2的型号是SS8050，所述第一二极管Dl和第二二极管D2采用的都是普通的快速开关硅二极管，本实施例中采用的型号是IN4148，当然此处的三极管或者二极管，也可以采用具有同等功效的其它三极管或者二极管，只要最终达到的功效一样即可。
[0019]所述第一电容Cl、第二电容C2、驱动电源BT、第一电阻Rl和第二电阻R2串联构成回路；所述第一二极管Dl的正极连接于所述第一电容Cl和第一电阻Rl之间，并且还与所述第一三极管Ql的基极连接；所述第一二极管Dl的负极与所述第一三极管Ql的发射极、第一电阻Rl以及驱动电源BT正极连接；所述第二二极管D2的正极与所述第二三极管Q2的发射极、第二电阻R2以及驱动电源BT负极连接；所述第二二极管D2的负极连接于所述第二电容C2和第二电阻R2之间，并且还与所述第二三极管Q2的基极连接；所述第一三极管Ql的集电极连接有第三电阻R3，所述第二三极管Q2的集电极连接有第四电阻R4，所述第三电阻R3与所述第四电阻R4串联构成防冲击限流电阻和驱动防振电阻。
[0020]所述驱动电路2由上下对称的两部分组成，即所述高边驱动电路21与所述低变驱动电路22，所述驱动电路2是一个典型的电容输入共射极放大电路，具有很高的电流和功率增益。所述第一二极管Dl和第二二极管D2提供逆向充/放电通路，使电路启动后立即进入稳定状态；所述第一电阻Rl和第二电阻R2是为了减少所述第一电容Cl和第二电容C2以及第一三极管Ql和第二三极管Q2本身漏电造成的影响；所述第三电阻R3和第四电阻R4则是为了在上电瞬间，使得所述第一三极管Ql和第二三极管Q2同时导通时限制第一三极管Ql和第二三极管Q2的电流，防止它们上电瞬间电流过大而损坏；
电源接通后，第一电容Cl和第二电容C2经第一电阻Rl和第二电阻R2以及第一三极管Ql和第二三极管Q2的基极充电，所述第一电容Cl、第二电容C2上的电压取决于“Driver”控制端的电位。如果“Driver”控制端电压不是处于接近电源或地的高低电平，而是一个中间值，此时所述第一三极管Ql和第二三极管Q2可能会有一个在极短时间内同时导通的过程，相应使得MOSFET可能出现极短时间的导通。由于第三电阻R3和第四电阻R4的限制，第一三极管Ql和第二三极管Q2不会损坏，而MOSFET的误驱动源自于第一三极管Ql和第二三极管Q2的不对称，导通时间极短，一般都不会对后端电路造成明显影响；
当“Driver”控制端上跳变时，所述第一电容Cl上的电荷通过第一二极管Dl向驱动电源BT泄放，第二电容C2则通过第二三极管Q2的基极充电。由于第二三极管Q2的基极电阻很小，可以提供很大的充电电流驱动第二三极管Q2，迅速将MOSFET的栅极电荷泄放掉，将控制栅电位拉低，第二三极管Q2可通过第四电阻R4对MOSFET提供超过1.5A的拉电流；当“Driver”控制端下跳变时，第二电容C2通过第二二极管D2形成放电回路，第一电容Cl则通过第一三极管Ql的基极充电。由于第一三极管Ql基极电阻很小，可以提供足够大的充电电流驱动第一三极管Ql，迅速将MOSFET的栅极电荷充满，将控制栅电位拉高，第一三极管Ql可通过第三电阻R3对MOSFET提供超过1.5A的灌电流；
当“Driver”控制端处于稳态时，所述第一三极管Ql和第二三极管Q2都截止，MOSFET被电阻R6下拉，保持截止。
[0021]当“Driver”控制端上下跳变沿之后，所述第一三极管Ql和第二三极管Q2只是在无驱动的情况下保持短暂导通或截止；之后，MOSFET在栅极电荷的作用下保持导通或截止。所以，第一电容Cl、第二电容C2的取值应与被驱动器件的栅极电荷相匹配；第三电阻R3与第四电阻R4的取值会影响第一三极管Ql和第二三极管Q2的饱和导通电流，进而影响到本发明所述的绝缘栅功率控制器件的驱动电路的工作速度；电阻R6的取值决定于MOSFET栅极电荷的放电速度要求，也即是MOSFET导通的最长脉宽。但是，以上每一个电子元器件的参数并不需要精确匹配，可以进行适当性调整，并不影响本电路的实际应用。
[0022]实施例2:
如图2所示，实施例与实施例1的不同仅在于:所述绝缘栅极控制器件I中的MOSEFT的具有独立的工作电源Vdd，目的在于所述MOSEFT不受驱动电源BT的任何限制，使得整个电路的适应性更宽。
[0023]以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
【权利要求】
1.一种绝缘栅功率控制器件的驱动装置，其特征在于:包括与绝缘栅功率控制器件(I)连接的驱动电路(2);所述驱动电路(2)包括驱动电源(BT)、用于控制绝缘栅极功率控制器件的上拉驱动的高边驱动回路(21)和用于控制绝缘栅极功率控制器件的下拉驱动的低边驱动回路(22)。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅功率控制器件的驱动装置，其特征在于: 所述高边驱动回路(21)包括第一三极管(Q1)、第一电容(Cl)、第一二极管(D1)、第一电阻(Rl)和第三电阻(R3)； 所述低边驱动回路(21)包括第二三极管(Q2)、第二电容(C2)、第二二极管(D2)第二电阻(R2)和第四电阻(R4)； 所述第一电阻(Rl)、第一电容(Cl)、第二电容(C2)、第二电阻(R2)和驱动电源(BT)顺次串联构成回路； 所述第一二极管(Dl)的正极连接于所述第一电容(Cl)和第一电阻(Rl)之间，并且还与所述第一三极管(Ql)的基极连接； 所述第一二极管(Dl)的负极分别与所述第一三极管(Ql)的发射极、第一电阻(Rl)以及驱动电源(BT)正极连接； 所述第二二极管(D2)的正极与所述第二三极管(Q2)的发射极、第二电阻(R2)以及驱动电源(BT)负极连接 ； 所述第二二极管(D2)的负极连接于所述第二电容(C2)和第二电阻(R2)之间，并且还与所述第二三极管(Q2)的基极连接； 所述第一三极管(Ql)的集电极连接有第三电阻(R3)，所述第二三极管(Q2)的集电极连接所述第四电阻(R4)，所述第三电阻(R3)与所述第四电阻(R4)串联； 所述绝缘栅功率控制器件(I)的栅极连接于所述第三电阻(R3)和所述第四电阻(R4)之间。
3.根据权利要求1所述的绝缘栅功率控制器件的驱动装置，其特征在于:所述驱动电源(BT)为2.8^4.2V的直流电源。
4.根据权利要求1所述的绝缘栅功率控制器件的驱动装置，其特征在于: 所述第一三极管(Ql)和所述第二三极管(Q2)采用的是具有大电流输出能力的晶体管。
5.根据权利要求1所述的绝缘栅功率控制器件的驱动装置，其特征在于: 所述第一二极管(Dl)和第二二极管(D2)采用的是快速开关硅二极管。
【文档编号】H03K17/567GK104038192SQ201310072990
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年3月6日 优先权日:2013年3月6日
【发明者】郑伟伟, 陈小源 申请人:欣旺达电子股份有限公司