一种用于直流或低频开关的功率半导体器件栅极驱动电路的制作方法

1.本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种用于直流或低频开关的功率半导体器件栅极驱动电路。


背景技术：

2.工作在直流或低频开关的功率半导体器件，常见的有绝缘栅场效应晶体管(mosfet)和绝缘栅双极型晶体管(igbt)。栅极对源极或栅极对发射极的等效模型通常可看做一个电容，在需要它们导通时，给栅极对源极或栅极对发射极施加一定幅值的电压，令其高于器件的导通阈值电压，使得器件的漏级对源极或集电极对发射极导通，从而达到使开关导通的目的；在需要它们关断时，给栅极对源极或栅极对发射极施加一定幅值的电压，令其低于器件的导通阈值电压，使得器件的漏级对源极或集电极对发射极关断，从而达到使开关关断的目的。
3.工作在直流或低频开关的功率半导体器件，通常对栅极驱动速度的要求远低于工作在高频开关下的功率半导体器件。如果采用与高频开关的功率半导体器件采用相同的驱动电路，其成本较高，电路复杂，尺寸较大。
4.现有方案多采用和高频开关驱动电路相同的传统的信号，如通过隔离器+推挽的方式来实现栅极驱动，或通过光电池光耦的方式直接驱动栅极。
5.但是，现有信号隔离器+推挽驱动器方案若用于直流或低频开关，其上管部分难以通过自举电路供电，因此需要一路单独的隔离电源，从而增加系统的成本和复杂度。光电池光耦方案虽然免去了电路复杂的问题，其面临驱动电流小，难以高速开关，关断速度受开通期间驱动电流制约的问题。因此面临开通关断延迟大、损耗高的问题，在无桥pfc等对低频开关的延迟敏感的场合难以适用。
6.因此，有必要提出一种既能减少成本、降低复杂度，又能实现高速开关的功率半导体器件栅极驱动电路。


技术实现要素：

7.本发明提出一种用于直流或低频开关的功率半导体器件栅极驱动电路，该电路检测光电池光耦输出端电压跌落，并在检测到电压跌落时从被驱动器件的栅极抽走电荷，从而实现被驱动期间的快速开关。
8.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
9.一种用于直流或低频开关的功率半导体器件栅极驱动电路，该电路包括顺序连接的时序发生电路、高低电流驱动电路、隔离器件和加速关断电路；其中，时序发生电路用于在检测到输入信号发生上跳变时，时序发生电路控制高低电流驱动电路输出一高电流，并在一段时间后转为低电流，并在检测到输入信号为低时，时序发生电路控制高低电流驱动电路输出零电流；加速关断电路用于检测隔离器件输出电流的下降沿，并在检测下降沿后进行导通，从而加速被驱动功率器件栅极放电过程。
10.在一种可能的实现方式中，所述加速关断电路包括并联于光电池光耦输出两端之间以及被驱动器件栅极两端之间的三极管q1、电阻r1，以及串联于三极管q1基级和发射极之间的二极管d1。
11.在一种可能的实现方式中，所述加速关断电路包括并联于光电池光耦输出两端以及被驱动器件栅极两端之间的三极管q1、电阻r1和电阻r2，以及串联于三极管q1基级和发射极之间的二极管d1。
12.在一种可能的实现方式中，所述三极管q1为pnp型三极管或npn型三极管。
13.在一种可能的实现方式中，所述隔离器件为光电池光耦，或基于变压器，电容，压电换能器的隔离功率传输器件及驱动及整流电路。
14.与现有技术相比，本发明优点在于：
15.1.相对于原有方案的带隔离电源的驱动方案，原有方案同时需要一个信号隔离通道和一个电源隔离通道，且电源隔离通道通常需要一个变压器，其尺寸远大于信号隔离通道，而本方案仅需要一个信号隔离通道，成本和体积都可以大幅缩小。
16.2.对于开通过程，利用光电池光耦的线性特性，在开通瞬间给光电池光耦的输入端施加一个大电流脉冲，在此期间，光电池光耦输出电流较大，因此可以快速给被驱动器件的栅极充电。原有方案中，用光电池光耦实现的方案配合传统的驱动方案无法做到快速开通。
17.3.在开通一段时间之后，通过减小光电池光耦的输入电流至一较小的维持电流，从而降低器件功耗并延缓其老化。
18.4.对于关断过程，通过检测光电池光耦输出端电压跌落，并在检测到电压跌落时从被驱动器件的栅极抽走电荷，从而加速关断。原有方案中用光电池光耦实现的方案，光电池光耦的副边本身不支持放电功能，故其关断速度受限于并联的放电电阻，而光电池光耦的输出电流很小，如日本东芝公司的tlp3914的输出短路电流仅有20ua，输出电压7v，等效内阻350kω，则放电电阻的取值范围大约在100kω以上，如对应10nf输入电容的功率器件，则其放电时常数在1ms，而本方案可以将该时间缩短至15us左右，优势非常明显。
附图说明
19.图1是本发明所公开功率半导体器件栅极驱动电路图；
20.图2是本发明一个实施例所公开的时序发生电路和高低电流驱动电路示意图；
21.图3是本发明一个实施例所公开的时序发生电路和高低电流驱动电路示意图；
22.图4是本发明一个实施例所公开的加速关断电路示意图；
23.图5是本发明一个实施例所公开的加速关断电路示意图。
具体实施方式
24.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
25.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术
人员再没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
27.以下结合附图对本发明作进一步详述：
28.图1为本发明所公开的功率半导体器件栅极驱动电路，该电路包括顺序连接的时序发生电路、高低电流驱动电路、隔离器件和加速关断电路。隔离器件的核心在于使用高频电磁波(例如光波)传输能量，且隔离低频电磁波(例如工频或直流)。本实施例中使用光电池光耦作为隔离器件，在其他实施例中其可被替换成变压器或电容器等任何可以传输高频电磁波且隔离低频电磁波的器件和振荡器、检波器的组合；在此类实施例中，对光电池光耦输入电流的调制应该改成对振荡器输出频率或占空比的调制。
29.时序发生电路在检测到输入信号发生上跳变时，时序发生电路控制高低电流驱动电路输出一高电流，并在一段时间后转为低电流，并在检测到输入信号为低时，时序发生电路控制高低电流驱动电路输出零电流。本实施例中，一段时间为数微秒至数十微秒。
30.在一个实施例中，如图2所示，时序发生电路可通过集成电路内部逻辑资源用作延时和逻辑门，其通过逻辑门来分别实现高电流驱动电路以及低电流驱动电路的信号控制，并将高电流驱动电路以及低电流驱动电路的输出信号通过电流加和电路求和后作为光电池光耦的输入。
31.在另一个实施例中，如图3所示，时序发生电路可通过集成电路的io口配置成开漏输出来分别实现高电流驱动电路以及低电流驱动电路的信号控制，然后高电流驱动电路以及低电流驱动电路分别串联一输出电阻，该输出电阻的另一侧直接相连作为电流加和电路，电流加和电路的输出信号作为光电池光耦的输入。
32.本发明所使用的光电池光耦为市售产品，优选地，其使用型号可为toshiba tlp3914或vishay vo1263。
33.加速关断电路用于通过对光电池光耦输出电流的下降沿进行检测，并在检测到光电池光耦输出电流下降沿后进行导通，从而加速被驱动功率器件栅极放电过程。
34.在一个实施例中，如图4所示，加速关断电路包括并联于光电池光耦输出两端之间以及被驱动器件栅极两端之间的三极管q1、电阻r1，以及串联于三极管q1基级和发射极之间二极管d1，其中光电池光耦输出接in+和in-，被驱动器件的栅极接out+和out-。
35.具体来说，当输入信号为高时，光电池光耦输出电流，该电流通过二极管d1给开关器件的栅极充电。当输入信号为低时，光电池光耦不输出，此时被驱动器件栅极两端电压沿电阻r1通过三极管q1的be结泄放。同时，由于三极管的放大效应，被驱动器件栅极两端电压可通过三极管q1的ce结进行泄放，且此电流远大于be结电流，因此可以在使用较大的电阻r1阻值(即较小的静态功耗)的同时实现高速关断。
36.受vbe导通压降的限制，本电路通过三极管q1的放电电压并不能到达0v，在一个优选实施例中，还可使用r2进一步降低稳态关断电压。
37.本实施例中，在有外部驱动电流时，光电池光耦输出电流，且该电流在r1上产生的压降大于等于被驱动电路的栅极电压，因此d1导通，外部电流进入被驱动器件的栅极，直至栅极电压足够高，此时r1和r2流过的电流等于光电池光耦输出的电流。当没有外部驱动电
流时，光电池光耦不输出电流，因此被驱动器件栅极通过三极管q1和电阻r1，电阻r2放电，流过电阻r1的电流被三极管q1的hfe放大，进而加快放电过程。当栅极电压低于三极管q1的vbe时，三极管q1和电阻r1不再有电流流过，此时剩余电荷由电阻r2泄放。
38.通过该进一步增加的电阻r2可将栅极电压从约0.7v泄放至0v，从而降低了被驱动器件的关断泄漏电流，并提升了被驱动器件的抗寄生开通能力。
39.和传统的只使用一个电阻(即没有电阻r1，二极管d1，三极管q1，只有电阻r2)的方案相比，该方案在同样开通电压、栅极电荷、关断速度的条件下，光电池光耦有驱动电流时的漏电流更小，因此可以有效降低系统功耗、发热、老化。在同样开通电压、栅极电荷、驱动功率的前提下，光电池光耦无驱动电流时的关断速度更快，因此可以加速被驱动器件的关断过程，从而降低关断损耗。
40.在一个实施例中，如图5所示，加速关断电路亦可使用pnp三极管实现，其中光电池光耦输出接in+和in-，被驱动器件的栅极接out+和out-。该电路的工作原理和上述使用npn三极管的电路一致，因此不再赘述。
41.经过测试，本发明所公开的技术方案使用10nf假负载时，在同样平均功耗的条件下，相比于使用光电池光耦直接驱动栅极，使用加速开通电路可缩短开通时间至20％以下；使用加速关断电路同样可缩短关断时间至20％以下。
42.需要强调的是，本发明所述的实施例是实例性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。