专利名称：用于电源开关器件的隔离式栅极驱动器电路的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种用于驱动MOS栅控电源器件(MOS-gated powerdevice)的集成电路栅极驱动器，特别涉及一种防止同时打开高压侧和低压侧的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)器件的驱动器。
背景技术：
具有电容栅控输入端(capacitive gate control input)的电源开关器件如MOSFET、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)和MOS控制的晶闸管(MCT)因其在高的开关频率时的优越性能而广泛用在电子开关应用中，如ON/OFF负载控制、开关放大器、电机驱动器、开关模式电源(SMPS)和循环换流器。通过对栅电容充电至相对低的某适当电压值来打开这些器件，并且通过使栅电容放电来关闭这些器件。有关何时打开和关闭电源开关器件的信息被传送至栅极驱动器电路，该栅极驱动器电路设计成作为打开和关闭电源开关器件的装置，其对电源开关器件的栅电容迅速充电和放电。
但是，在使用高压侧和低压侧的MOS栅控器件的电路如电机控制器中，不能同时打开两个MOS栅控器件，这是由于同时打开会造成称作“击穿”情况的直接短路。通常应用中包括将两个电源轨(power supply rails)之间串联连接的两个MOS电源晶体管用作开关稳压器的输出级，传统上称之为“半桥”结构。在“击穿”情况下，当同时打开两个电源开关时，在两个电源轨之间便产生低电阻路径，并且两个电源开关将流过很大的电流。击穿损耗电源，其能够导致供电电压的波动，和/或者导致过热，这将损坏电源开关。
发明内容
因此，为解决本领域现有技术中的上述问题，本发明提供了一种栅极驱动器装置，用于对半桥和全桥电路结构中使用的电源开关器件的电容栅控输入端充电和放电，且在宽范围的占空比上工作，该栅极驱动器装置包括变压器，其包括初级绕组和次级绕组；直流补偿(DC offset)产生电路，其与该变压器的次级绕组连接，其中，该DC补偿产生电路使开关晶体管迅速打开以及关闭；上拉下拉电路，其与该DC补偿产生电路连接，并且利用低驱动电压；该DC补偿产生电路的反馈端口，其中，反馈电路加速第一晶体管的关闭以及第二晶体管的打开；以及使该上拉下拉电路控制该电源开关器件的栅极的结构。
上述栅极驱动器装置的第一个优选实施例是该DC补偿产生电路包括第一电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第一端连接；第一单向电流元件，其连接在该次级绕组的中心抽头与该第一电荷存储元件的第二侧之间，其中电流从该中心抽头经第一单向电流元件流向第一电荷存储元件；第二电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第二端连接；以及第二单向电流元件，其连接在该次级绕组的中心抽头与该第二电荷存储元件的第二侧之间，其中电流从该中心抽头经第二单向电流元件流向第二电荷存储元件；该上拉下拉电路包括第一和第二互补晶体管，它们的第一侧串联连接在一起，其中该第一晶体管的第二侧与第一电阻元件的第一端连接；该第一电阻元件的第二端与电源电压连接；该第二晶体管的第二侧接地；以及第三电荷存储元件，其连接在该第一电阻元件的第二侧与该第二晶体管的第二侧之间；该反馈电路包括第二电阻元件和第三单向电流元件，它们在所述第一和第二晶体管的栅极与次级绕组的第一端之间串联连接，其中，电流流向次级绕组的第一端；以及在该结构中该电源开关器件的栅极与第一和第二晶体管的连接点连接，并且与第二电荷存储元件的第二侧连接；以及第三电阻元件，其第一侧与第一电荷存储元件的第二侧连接，其第二侧与第一和第二晶体管的栅极连接。
上述栅极驱动器装置的第二个优选实施例是该DC补偿产生电路包括第一电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第二端连接；以及第一单向电流元件，其连接在该次级绕组的中心抽头与该第一电荷存储元件的第二侧之间，其中电流从该中心抽头经第一单向电流元件流向第一电荷存储元件；该上拉下拉电路包括第一和第二互补晶体管，它们的第一侧串联连接在一起，其中该第一晶体管的第二侧与第一电阻元件的第一端连接；该第一电阻元件的第二端与电源电压连接；该第二晶体管的第二侧接地；以及第三电荷存储元件，其连接在该第一电阻元件的第二侧与该第二晶体管的第二侧之间；该反馈电路包括第二电阻元件和第三单向电流元件，它们在所述第一和第二晶体管的栅极与次级绕组的第一端之间串联连接，其中，电流流向次级绕组的第一端；以及在该结构中该电源开关器件的栅极与第一和第二晶体管的连接点连接，并且与第一电荷存储元件的第二侧连接；以及第三电阻元件，其第一侧与次级绕组的第一端连接，其第二侧与第一和第二晶体管的栅极连接。
上述栅极驱动器装置的第三个优选实施例是该DC补偿产生电路包括第一电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第一端连接；以及第一单向电流元件，其连接在该次级绕组的第二端与该第一电荷存储元件的第二侧之间，其中电流从该次级绕组的第二端经第一单向电流元件流向第一电荷存储元件；该上拉下拉电路包括第一和第二互补晶体管，它们的第一侧串联连接在一起，其中该第一晶体管的第二侧与第一电阻元件的第一端连接；该第一电阻元件的第二端与电源电压连接；该第二晶体管的第二侧接地；以及第三电荷存储元件，其连接在该第一电阻元件的第二侧与该第二晶体管的第二侧之间；该反馈电路包括第二电阻元件和第三单向电流元件，它们在所述第一和第二晶体管的栅极与次级绕组的第一端之间串联连接，其中，电流流向次级绕组的第一端；以及在该结构中该电源开关器件的栅极与第一和第二晶体管的连接点连接，并且与次级绕组的第二端连接；以及第三电阻元件，其第一侧与第一电荷存储元件的第二侧连接，其第二侧与第一和第二晶体管的栅极连接。
上述栅极驱动器装置的第四个优选实施例是该DC补偿产生电路包括第一电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第一端连接；第二电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第二端连接；以及第二单向电流元件，其连接在该次级绕组的中心抽头与该第二电荷存储元件的第二侧之间，其中电流从该中心抽头经第二单向电流元件流向第二电荷存储元件；该上拉下拉电路包括第一和第二互补晶体管，它们的第一侧串联连接在一起，其中该第一晶体管的第二侧与第一电阻元件的第一端连接；该第一电阻元件的第二端与电源电压连接；该第二晶体管的第二侧接地；以及第三电荷存储元件，其连接在该第一电阻元件的第二侧与该第二晶体管的第二侧之间；该反馈电路包括第二电阻元件和第三单向电流元件，它们在所述第一和第二晶体管的栅极与次级绕组的第一端之间串联连接，其中，电流流向次级绕组的第一端；以及在该结构中该电源开关器件的栅极与第一和第二晶体管的连接点连接，并且与第二电荷存储元件的第二侧连接；以及第三电阻元件，其第一侧与第一电荷存储元件的第二侧连接，其第二侧与第一和第二晶体管的栅极连接。
上述栅极驱动器装置的第五个优选实施例是该DC补偿产生电路包括第一电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第一端连接；该上拉下拉电路包括第一和第二互补晶体管，它们的第一侧串联连接在一起，其中该第一晶体管的第二侧与第一电阻元件的第一端连接；该第一电阻元件的第二端与电源电压连接；该第二晶体管的第二侧接地；以及第三电荷存储元件，其连接在该第一电阻元件的第二侧与该第二晶体管的第二侧之间；该反馈电路包括第二电阻元件和第三单向电流元件，它们在所述第一和第二晶体管的栅极与次级绕组的第一端之间串联连接，其中，电流流向次级绕组的第一端；以及在该结构中该电源开关器件的栅极与第一和第二晶体管的连接点连接，并且与次级绕组的第二端连接；以及第三电阻元件，其第一侧与第一电荷存储元件的第二侧连接，其第二侧与第一和第二晶体管的栅极连接。
上述栅极驱动器装置的一个方案是该变压器的次级绕组具有中心抽头；该第一晶体管是n沟道双极结晶体管，该第二晶体管是p沟道双极结晶体管，并且该第一晶体管的发射极与该第二晶体管的发射极连接；所述第一和第二晶体管是BJT或者MOSFET；所述电荷存储元件中的至少一个是电容器；所述电阻元件中的至少一个是电阻器；所述单向电流元件中的至少一个是二极管；该变压器是隔离式变压器，以及传送至该变压器的初级绕组的信号是PWM互补的或PWM同步的，或者是既有PWM互补的又有PWM同步的。
上述栅极驱动器装置的另一个方案是该变压器具有两个带中心抽头的次级绕组，所述两个次级绕组中的每一个反馈一个栅极驱动器电路，并且控制两个半桥开关器件的其中一个，其中所述两个栅极驱动器电路的其中一个的上拉下拉电路的一侧通过单向电流元件与电源连接，另一侧接负载，而所述两个栅极驱动器电路的另一个的上拉下拉电路的一侧接负载，另一侧接地。
其中，两个相同或者两个不同的栅极驱动器电路控制两个半桥开关器件，其中所述开关器件是MOSFET或者IGBT。
其中，该变压器具有四个次级绕组，每两个次级绕组用于反馈两个栅极驱动器电路而控制一个对负载供电的半桥，其中四个次级绕组一起控制一个全桥。
本发明还提供一种驱动器电路，用于交替地驱动半桥或者全桥，并且能够在宽范围的占空比上工作，该驱动器电路包括用于将一时间变化信号转换为具有不同属性的另一时间变化信号的转换装置；用于DC补偿晶体管栅极控制信号的DC补偿装置，其中DC补偿装置使晶体管迅速打开以及关闭；用于上拉或者下拉晶体管栅极的上拉下拉装置；用于将晶体管栅极控制信号反馈至用于DC补偿装置的反馈装置，其中反馈装置加速晶体管的操作；以及使该上拉下拉装置控制电源开关器件的栅极的结构。
其中，该转换装置具有两个次级绕组，所述两个次级绕组中的每一个反馈一个驱动器电路，并且控制两个半桥开关器件的其中一个，其中所述两个驱动器电路的其中一个的上拉下拉电路的一侧通过阴极负载二极管(bootstrap diode)与电源连接，另一侧接负载，而所述两个驱动器电路的另一个的上拉下拉电路的一侧接负载，另一侧接地。
其中，具有自举电路(bootstrap circuit)的半桥或者全桥的多个栅极驱动器仅需要一个电源，该自举电路用于顶部的开关MOSFET。
其中，该转换装置具有四个次级绕组，每两个次级绕组用于反馈两个驱动器电路而控制一个对负载供电的半桥，其中所述四个次级绕组一起控制一个全桥。
本发明还提供一种交替地驱动半桥或者全桥的方法，其能够在宽范围的占空比上工作，该方法包括使用至少一个隔离式变压器将一时间变化输入信号转换为另一时间变化信号；DC补偿晶体管栅极控制信号，用于使晶体管迅速打开以及关闭；通过上拉下拉电路上拉或者下拉晶体管开关栅极；反馈上拉下拉控制信号以加速晶体管的操作；以及通过上拉下拉操作控制电源开关器件的栅极。
其中，通过一个变压器执行所述转换，该变压器具有两个次级绕组和一个初级绕组，或者通过两个单独的变压器执行所述转换，每个单独的变压器具有一个次级绕组和一个初级绕组，其中所述两个次级绕组中的每一个用于驱动和控制两个半桥开关器件的其中一个。
其中，通过一个变压器执行所述转换，该变压器具有四个次级绕组和一个初级绕组，并且每两个次级绕组用于控制一个半桥，其中所述四个次级绕组一起控制一个全桥。
图1示出根据本发明实施例的隔离式栅极驱动电路。
图2示出图1中所示的隔离式变压器的次级绕组电压，其作为占空比的函数。
图3示出图1的栅极驱动电路的工作波形细节。
图4至图7示出与图1的电路类似的栅极驱动电路。
图8A和8B示出用于半桥拓扑的隔离式栅极驱动器。
图9示出栅极信号的瞬态波形。
图10示出用于两个MOSFET的同步栅极驱动器。
图11示出用于全桥拓扑的具有单个隔离式变压器的全桥栅极驱动电路。
图12A和12B示出变压器的次级绕组电压。
图13A和13B示出具有互补栅极信号的MOSFET驱动电压。
图14A和14B示出开关MOSFET的隔离式栅极电压。
图15示出具有同步栅极信号的MOSFET的栅极电压。
具体实施例方式
下面将说明本发明的多种实施例。随后的说明提供了对这些实施例的全面理解的具体细节。本领域技术人员可理解无需一些所述细节也可以实施本发明。此外，可能不会示出或者详细说明一些公知的结构或功能，以免不必要地使多种实施例的相关说明不清楚。
在下述说明中使用的术语即使是与本发明某些具体实施例的详细说明结合使用的，也要以其最宽的合理方式解释该术语。某些术语可能会在下面给予强调；但是，以某种受限的方式进行解释的术语将会在详细说明部分给予公开地以及明确地定义。
下面公开隔离式栅极驱动器电路的实施例，该隔离式栅极驱动器电路用于驱动桥接式电源转换器拓扑(半桥和全桥)的高压侧和低压侧的开关器件。这种电路的典型应用包括冷阴极荧光灯(CCFL)逆变器，其由高压DC轨供电。
对高压侧的开关的驱动很具有挑战性，这是因为MOSFET的栅极和源极是浮接的。一种用于驱动MOSFET的方法是使用高压驱动器IC；但是，这种方法很昂贵。包括隔离式变压器以及n沟道晶体管和p沟道晶体管的栅极驱动电路的所公开的实施例更加划算，并且提供足够的空载时间(deadtime)，还可在宽范围的占空比上工作。
图1示出隔离式栅极驱动电路的实施例。本实施例的电路包括隔离式变压器、n沟道晶体管和p沟道晶体管、以及开关电源器件(MOSFET)。在该实施例中，通过隔离式变压器传送PWM控制输入信号。这里，电容Cs用于避免变压器的饱和。Tr1是上拉n沟道双极结晶体管(BJT)，其提供通过开关器件的高的栅电流。
将栅电阻器Rg典型设置在MOSFET的栅极前方。但是，移动Rg使其与Tr1串联设置。在这种结构中，MOSFET栅放电阻抗将会更低。Tr2是下拉p沟道BJT，其通过提供栅放电路径而实现开关器件的快速关闭时间。Rg确定MOSFET的打开速度。Tr1和/或Tr2可由MOSFET代替。驱动Tr1或Tr2的电压非常低，从而由于所需的变压器的次级电压降低，变压器磁(magnetic)变小。为了打开MOSFET(Q)，打开Tr1并且关闭Tr2。另一方面，当打开Tr2并且关闭Tr1时，Q被关闭。二极管D3提供较低的阻抗路径以打开Tr2或者关闭Tr1。由与D3串联的电阻器R2确定关闭时间周期。
图2示出图1中所示的隔离式变压器的次级绕组电压，其作为占空比的函数。图2中的面积A必须与面积B相同。为了使占空比接近50％，次级电压是对称的，因此，用于Tr1和Tr2的驱动电压是足够高的。而与非常低或者非常高的占空比如低于20％或者高于80％的占空比相关的次级电压不足以打开Tr1和Tr2。
因此，通过添加附加元件C1、C2、D1和D2来满足所需的DC补偿。变压器的中心抽头与二极管D1和D2连接。在关闭周期中电容器C1充电，并且有助于打开Tr1，而在打开周期中电容器C2充电，并且有助于打开Tr2。因此，在宽范围的占空比上，Vae(点“a”和点“e”之间的电压)的正峰值电压与Vae的负峰值电压相似。图3示出图1的栅极驱动电路的详细工作波形。
图4至图7示出与图1的栅极驱动电路类似的栅极驱动电路。图1、图4至7中示出的栅极驱动电路能够使用隔离式变压器的两个次级绕组而用于半桥和全桥拓扑中。
图8A和8B示出用于半桥拓扑(例如，在两个电源轨之间串联连接的两个电源晶体管作为开关稳压器的输出级)的隔离式栅极驱动器的实施例。本实施例的隔离式变压器除了包括图1的单个栅极驱动电路之外，还包括单个初级绕组和两个具有中心抽头的次级绕组。在本实施例中，为顶部的开关Q1添加了自举电路，并且半桥具有两个串联的MOSFET。
两个电源开关Q1和Q2以互补模式或者同步模式工作，从而可以采用单个PWM控制信号来操作两个开关。当打开Q1时，正ILoad电流从Cdc经过Q1流到负载。当打开Q2时，负ILoad电流从负载流出并流经Q2。该自举电路包括电容器Cboot和二极管Dboot。在打开Q2时电容器Cboot充电，而在Q1处于打开状态期间，电容器Cboot放电。通过添加二极管Dboot，就不需为Q1附加电源。图8A中的电路优选具有互补信号，而图8B中的电路优选具有同步信号。还可以利用用于顶部和底部的MOSFET的两个单独的隔离式变压器来代替图8A和图8B中所示的具有两个次级绕组的集成变压器。
图9示出在互补PWM模式下Q1和Q2栅极信号的瞬态波形。利用桥接结构，空载时间是必需的，用于防止“击穿”或者交叉传导电流流过引线。因此，关闭时间必须很短，并且需要打开延迟。利用低电阻R2和较高的电阻R1调节空载时间(Tdead)。
图10示出用于顶部和底部的MOSFET的同步栅极信号。两个电源开关是互补的或者是同步的，从而可将单个隔离式变压器可以用于半桥拓扑以及全桥拓扑。Vdf是变压器的次级绕组两端的电压。
图11示出用于全桥拓扑的具有单个隔离式变压器的全桥栅极驱动电路。以与图8的电路相同的方式添加自举电路。G1至G4中的栅极驱动电路可以是上述图1、图4至7中所公开的任意驱动电路。例如，图4中所示的电路可以用在G1和G3中，并且图5中所示的电路可以用在G2和G4中。所述电路提供了足够的空载时间，在宽范围的占空比上工作，并且需要单个电源(Vcc)。
图12A和12B示出变压器的次级绕组电压。在低占空比时，负峰值电压不足以打开p沟道MOSFET。
图13A和13B示出具有互补栅极信号的晶体管驱动电压。如图13A和13B所示，即使在低占空比时，负峰值电压也足以打开p沟道BJT并且关闭n沟道BJT。
图14A和14B示出具有互补栅极信号的图4中所示的开关MOSFET的隔离式栅极电压。代表电压的波形示出隔离式栅极驱动器电路获得足够的空载时间，并且在宽范围的占空比上工作。
图15示出具有同步栅极信号的MOSFET的栅极电压。
应当注意的是，可由FET晶体管代替BJT晶体管，并且可由其它电阻元件、电容元件以及单向电流元件分别代替电阻器、电容器和二极管。
结论除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”等类似词语应当解释为包含的含义，而不是排他或者穷举的含义；也就是说，是“包含，但不局限于”的含义。如这里所使用的，术语“连接”或者其变型，意味着在两个或者更多元件之间直接或者间接地连接；元件之间的连接可以是物理上地、逻辑上地，或者其结合。
此外，本申请中所使用的词语“这里”、“上述”、“下面”以及含有类似含义的词语应当涉及本申请的全部内容，而不是本申请的特定部分。在上下文允许时，上述详细说明中使用单数或者复数的词语也可以分别包括复数或者单数。关于两个或者更多选项列表的词语“或者”覆盖了该词语的所有下述解释列表中的任意选项，列表中的所有选项，以及列表中选项的任意组合。
本发明实施例的上述详细说明并不是排他的或者用于将本发明限制在上述明确的形式上。在上述以示意性目的说明本发明的特定实施例和实例的同时，本领域技术人员将认识到可以在本发明的范围内进行各种等效修改。
本发明这里所提供的启示并不是必须应用到上述系统中，还可以应用到其它系统中。可将上述各种实施例的元件和作用相结合以提供更多的实施例。
可以根据上述详细说明对本发明进行修改。在上述说明描述了本发明的特定实施例并且描述了预期最佳模式的同时，无论在上文中出现了如何详细的说明，也可以许多方式实施本发明。上述补偿系统的细节在其执行细节中可以进行相当多地变化，然而其仍然包含在这里所公开的本发明中。
如上述一样应当注意，在说明本发明的某些特征或者方案时所使用的特殊术语不应当用于表示在这里重新定义该术语以限制与该术语相关的本发明的某些特定特点、特征或者方案。总之，不应当将在随附的权利要求书中使用的术语解释为将本发明限定在说明书中公开的特定实施例，除非上述详细说明部分明确地限定了这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括所公开的实施例，还包括在权利要求书之下实施或者执行本发明的所有等效方案。
在下面以某些特定权利要求的形式描述本发明的某些方案的同时，发明人仔细考虑了本发明各种方案的许多权利要求形式。因此，发明人在提出本申请时将权利限定在从属权利要求中，从而以这些从属权利要求的形式追述本发明的其它方案。
权利要求
1.一种栅极驱动器装置，用于对半桥和全桥电路结构中使用的电源开关器件的电容栅控输入端充电和放电，且在宽范围的占空比上工作，该栅极驱动器装置包括变压器，其包括初级绕组和次级绕组；直流补偿产生电路，其与该变压器的次级绕组连接，其中，该直流补偿产生电路使开关晶体管迅速打开以及关闭；上拉下拉电路，其与该直流补偿产生电路连接，并且利用低驱动电压；反馈电路，其将该上拉下拉电路的反馈端口连接至该直流补偿产生电路的反馈端口，其中，该反馈电路加速第一晶体管的关闭以及第二晶体管的打开；以及使该上拉下拉电路控制该电源开关器件的栅极的结构。
2.如权利要求1所述的栅极驱动器装置，其中该直流补偿产生电路包括第一电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第一端连接；第一单向电流元件，其连接在该次级绕组的中心抽头与该第一电荷存储元件的第二侧之间，其中电流从该中心抽头经第一单向电流元件流向第一电荷存储元件；第二电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第二端连接；以及第二单向电流元件，其连接在该次级绕组的中心抽头与该第二电荷存储元件的第二侧之间，其中电流从该中心抽头经第二单向电流元件流向第二电荷存储元件；该上拉下拉电路包括第一和第二互补晶体管，它们的第一侧串联连接在一起，其中该第一晶体管的第二侧与第一电阻元件的第一端连接；该第一电阻元件的第二端与电源电压连接；该第二晶体管的第二侧接地；以及第三电荷存储元件，其连接在该第一电阻元件的第二侧与该第二晶体管的第二侧之间；该反馈电路包括第二电阻元件和第三单向电流元件，它们在所述第一和第二晶体管的栅极与次级绕组的第一端之间串联连接，其中，电流流向次级绕组的第一端；以及在该结构中该电源开关器件的栅极与第一和第二晶体管的连接点连接，并且与第二电荷存储元件的第二侧连接；以及第三电阻元件，其第一侧与第一电荷存储元件的第二侧连接，其第二侧与第一和第二晶体管的栅极连接。
3.如权利要求1所述的栅极驱动器装置，其中该直流补偿产生电路包括第一电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第二端连接；以及第一单向电流元件，其连接在该次级绕组的中心抽头与该第一电荷存储元件的第二侧之间，其中电流从该中心抽头经第一单向电流元件流向第一电荷存储元件；该上拉下拉电路包括第一和第二互补晶体管，它们的第一侧串联连接在一起，其中该第一晶体管的第二侧与第一电阻元件的第一端连接；该第一电阻元件的第二端与电源电压连接；该第二晶体管的第二侧接地；以及第三电荷存储元件，其连接在该第一电阻元件的第二侧与该第二晶体管的第二侧之间；该反馈电路包括第二电阻元件和第三单向电流元件，它们在所述第一和第二晶体管的栅极与次级绕组的第一端之间串联连接，其中，电流流向次级绕组的第一端；以及在该结构中该电源开关器件的栅极与第一和第二晶体管的连接点连接，并且与第一电荷存储元件的第二侧连接；以及第三电阻元件，其第一侧与次级绕组的第一端连接，其第二侧与第一和第二晶体管的栅极连接。
4.如权利要求1所述的栅极驱动器装置，其中该直流补偿产生电路包括第一电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第一端连接；以及第一单向电流元件，其连接在该次级绕组的第二端与该第一电荷存储元件的第二侧之间，其中电流从该次级绕组的第二端经第一单向电流元件流向第一电荷存储元件；该上拉下拉电路包括第一和第二互补晶体管，它们的第一侧串联连接在一起，其中该第一晶体管的第二侧与第一电阻元件的第一端连接；该第一电阻元件的第二端与电源电压连接；该第二晶体管的第二侧接地；以及第三电荷存储元件，其连接在该第一电阻元件的第二侧与该第二晶体管的第二侧之间；该反馈电路包括第二电阻元件和第三单向电流元件，它们在所述第一和第二晶体管的栅极与次级绕组的第一端之间串联连接，其中，电流流向次级绕组的第一端；以及在该结构中该电源开关器件的栅极与第一和第二晶体管的连接点连接，并且与次级绕组的第二端连接；以及第三电阻元件，其第一侧与第一电荷存储元件的第二侧连接，其第二侧与第一和第二晶体管的栅极连接。
5.如权利要求1所述的栅极驱动器装置，其中该直流补偿产生电路包括第一电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第一端连接；第二电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第二端连接；以及第二单向电流元件，其连接在该次级绕组的中心抽头与该第二电荷存储元件的第二侧之间，其中电流从该中心抽头经第二单向电流元件流向第二电荷存储元件；该上拉下拉电路包括第一和第二互补晶体管，它们的第一侧串联连接在一起，其中该第一晶体管的第二侧与第一电阻元件的第一端连接；该第一电阻元件的第二端与电源电压连接；该第二晶体管的第二侧接地；以及第三电荷存储元件，其连接在该第一电阻元件的第二侧与该第二晶体管的第二侧之间；该反馈电路包括第二电阻元件和第三单向电流元件，它们在所述第一和第二晶体管的栅极与次级绕组的第一端之间串联连接，其中，电流流向次级绕组的第一端；以及在该结构中该电源开关器件的栅极与第一和第二晶体管的连接点连接，并且与第二电荷存储元件的第二侧连接；以及第三电阻元件，其第一侧与第一电荷存储元件的第二侧连接，其第二侧与第一和第二晶体管的栅极连接。
6.如权利要求1所述的栅极驱动器装置，其中该直流补偿产生电路包括第一电荷存储元件，其第一侧与次级绕组的第一端连接；该上拉下拉电路包括第一和第二互补晶体管，它们的第一侧串联连接在一起，其中该第一晶体管的第二二侧与第一电阻元件的第一端连接；该第一电阻元件的第二端与电源电压连接；该第二晶体管的第二侧接地；以及第三电荷存储元件，其连接在该第一电阻元件的第二侧与该第二晶体管的第二侧之间；该反馈电路包括第二电阻元件和第三单向电流元件，它们在所述第一和第二晶体管的栅极与次级绕组的第一端之间串联连接，其中，电流流向次级绕组的第一端；以及在该结构中该电源开关器件的栅极与第一和第二晶体管的连接点连接，并且与次级绕组的第二端连接；以及第三电阻元件，其第一侧与第一电荷存储元件的第二侧连接，其第二侧与第一和第二晶体管的栅极连接。
7.如权利要求1所述的栅极驱动器装置，其中该变压器的次级绕组具有中心抽头；该第一晶体管是n沟道双极结晶体管，该第二晶体管是p沟道双极结晶体管，并且该第一晶体管的发射极与该第二晶体管的发射极连接；所述第一和第二晶体管是BJT或者MOSFET；所述电荷存储元件中的至少一个是电容器；所述电阻元件中的至少一个是电阻器；所述单向电流元件中的至少一个是二极管；该变压器是隔离式变压器，以及传送至该变压器的初级绕组的信号是PWM互补的或PWM同步的，或者是既有PWM互补的又有PWM同步的。
8.如权利要求2所述的栅极驱动器装置，其中该变压器的次级绕组具有中心抽头；该第一晶体管是n沟道双极结晶体管，该第二晶体管是p沟道双极结晶体管，并且该第一晶体管的发射极与该第二晶体管的发射极连接；所述第一和第二晶体管是BJT或者MOSFET；所述电荷存储元件中的至少一个是电容器；所述电阻元件中的至少一个是电阻器；所述单向电流元件中的至少一个是二极管；该变压器是隔离式变压器，以及传送至该变压器的初级绕组的信号是PWM互补的或PWM同步的，或者是既有PWM互补的又有PWM同步的。
9.如权利要求3所述的栅极驱动器装置，其中该变压器的次级绕组具有中心抽头；该第一晶体管是n沟道双极结晶体管，该第二晶体管是p沟道双极结晶体管，并且该第一晶体管的发射极与该第二晶体管的发射极连接；所述第一和第二晶体管是BJT或者MOSFET；所述电荷存储元件中的至少一个是电容器；所述电阻元件中的至少一个是电阻器；所述单向电流元件中的至少一个是二极管；该变压器是隔离式变压器，以及传送至该变压器的初级绕组的信号是PWM互补的或PWM同步的，或者是既有PWM互补的又有PWM同步的。
10.如权利要求4所述的栅极驱动器装置，其中该变压器的次级绕组具有中心抽头；该第一晶体管是n沟道双极结晶体管，该第二晶体管是p沟道双极结晶体管，并且该第一晶体管的发射极与该第二晶体管的发射极连接；所述第一和第二晶体管是BJT或者MOSFET；所述电荷存储元件中的至少一个是电容器；所述电阻元件中的至少一个是电阻器；所述单向电流元件中的至少一个是二极管；该变压器是隔离式变压器，以及传送至该变压器的初级绕组的信号是PWM互补的或PWM同步的，或者是既有PWM互补的又有PWM同步的。
11.如权利要求5所述的栅极驱动器装置，其中该变压器的次级绕组具有中心抽头；该第一晶体管是n沟道双极结晶体管，该第二晶体管是p沟道双极结晶体管，并且该第一晶体管的发射极与该第二晶体管的发射极连接；所述第一和第二晶体管是BJT或者MOSFET；所述电荷存储元件中的至少一个是电容器；所述电阻元件中的至少一个是电阻器；所述单向电流元件中的至少一个是二极管；该变压器是隔离式变压器，以及传送至该变压器的初级绕组的信号是PWM互补的或PWM同步的，或者是既有PWM互补的又有PWM同步的。
12.如权利要求6所述的栅极驱动器装置，其中该变压器的次级绕组具有中心抽头；该第一晶体管是n沟道双极结晶体管，该第二晶体管是p沟道双极结晶体管，并且该第一晶体管的发射极与该第二晶体管的发射极连接；所述第一和第二晶体管是BJT或者MOSFET；所述电荷存储元件中的至少一个是电容器；所述电阻元件中的至少一个是电阻器；所述单向电流元件中的至少一个是二极管；该变压器是隔离式变压器，以及传送至该变压器的初级绕组的信号是PWM互补的或PWM同步的，或者是既有PWM互补的又有PWM同步的。
13.如权利要求1所述的栅极驱动器装置，其中该变压器具有两个带中心抽头的次级绕组，所述两个次级绕组中的每一个反馈一个栅极驱动器电路，并且控制两个半桥开关器件的其中一个，其中所述两个栅极驱动器电路的其中一个的上拉下拉电路的一侧通过单向电流元件与电源连接，另一侧接负载，而所述两个栅极驱动器电路的另一个的上拉下拉电路的一侧接负载，另一侧接地。
14.如权利要求13所述的栅极驱动器装置，其中两个相同或者两个不同的栅极驱动器电路控制两个半桥开关器件，其中所述开关器件是MOSFET或者IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。
15.如权利要求13所述的栅极驱动器装置，其中该变压器具有四个次级绕组，每两个次级绕组用于反馈两个栅极驱动器电路而控制一个对负载供电的半桥，其中四个次级绕组一起控制一个全桥。
16.一种驱动器电路，用于交替地驱动半桥或者全桥，并且能够在宽范围的占空比上工作，该驱动器电路包括用于将一时间变化信号转换为具有不同属性的另一时间变化信号的转换装置；用于直流补偿晶体管栅极控制信号的直流补偿装置，其中直流补偿装置使晶体管迅速打开以及关闭；用于上拉或者下拉晶体管栅极的上拉下拉装置；用于将晶体管栅极控制信号反馈至用于直流补偿装置的反馈装置，其中反馈装置加速晶体管的操作；以及使该上拉下拉装置控制电源开关器件的栅极的结构。
17.如权利要求16所述的驱动器电路，其中该转换装置具有两个次级绕组，所述两个次级绕组中的每一个反馈一个驱动器电路，并且控制两个半桥开关器件的其中一个，其中所述两个驱动器电路的其中一个的上拉下拉电路的一侧通过阴极负载二极管与电源连接，另一侧接负载，而所述两个驱动器电路的另一个的上拉下拉电路的一侧接负载，另一侧接地。
18.如权利要求17所述的驱动器电路，其中具有自举电路的半桥或者全桥的多个栅极驱动器仅需要一个电源，该自举电路用于顶部的开关MOSFET。
19.如权利要求17所述的驱动器装置，其中该转换装置具有四个次级绕组，每两个次级绕组用于反馈两个驱动器电路而控制一个对负载供电的半桥，其中所述四个次级绕组一起控制一个全桥。
20.一种交替地驱动半桥或者全桥的方法，其能够在宽范围的占空比上工作，该方法包括使用至少一个隔离式变压器将一时间变化输入信号转换为另一时间变化信号；直流补偿晶体管栅极控制信号，用于使晶体管迅速打开以及关闭；通过上拉下拉电路上拉或者下拉晶体管开关栅极；反馈上拉下拉控制信号以加速晶体管的操作；以及通过上拉下拉操作控制电源开关器件的栅极。
21.如权利要求20所述的方法，其中通过一个变压器执行所述转换，该变压器具有两个次级绕组和一个初级绕组，或者通过两个单独的变压器执行所述转换，每个单独的变压器具有一个次级绕组和一个初级绕组，其中所述两个次级绕组中的每一个用于驱动和控制两个半桥开关器件的其中一个。
22.如权利要求21所述的方法，其中通过一个变压器执行所述转换，该变压器具有四个次级绕组和一个初级绕组，并且每两个次级绕组用于控制一个半桥，其中所述四个次级绕组一起控制一个全桥。
全文摘要
本发明公开了隔离式栅极驱动器电路的实施例，该隔离式栅极驱动器电路用于驱动半桥和全桥电源转换器拓扑的高压侧和低压侧开关器件。所公开的电路可以提供足够的空载时间，在宽范围的占空比上工作，并且需要单个电源(Vcc)。这种电路的典型应用包括冷阴极荧光灯(CCFL)逆变器，通过高压DC轨对该CCFL逆变器供电。
文档编号H02M3/155GK1909372SQ200510120060
公开日2007年2月7日 申请日期2005年11月8日 优先权日2005年8月1日
发明者金相顺, 陈伟 申请人:美国芯源系统股份有限公司