本公开涉及电力电子技术领域，具体涉及一种用以产生三电位电压信号的驱动电路以及一种用以产生三电位电压信号的驱动方法。
背景技术：
图1A示出一种现有的转换器100的示意图。图1B是图1A的驱动电路102的驱动信号Vg1及Vg2的波形图。如图1A及图1B所示，转换器100的驱动电路102用以产生驱动信号Vg1及Vg2，且驱动信号Vg1及Vg2用以分别控制开关元件SW1及SW2的开启或关闭。在开关元件SW2的关闭期间M1内，驱动信号Vg1提供高电压给开关元件SW1以开启开关元件SW1。此时，自低电压切换至高电压的驱动信号Vg1可能会产生振荡噪声，此振荡噪声可能会干扰驱动信号Vg2。如此，驱动信号Vg2在关闭期间M1内可能不会是零电位，甚至高于开关元件SW2的导通截止电压，进而使开关元件SW2误被开启。
另外，目前技术大多相关于如何加快开关元件SW1及SW2的开启速度。然而，加快开关元件SW1及SW2的关闭速度亦是本领域中相当重要的议题。
技术实现要素：
本公开提供一种驱动电路及驱动方法，以改善现有技术的问题。
本公开内容的一实施方式涉及一种用以控制至少一开关元件的驱动电路，驱动电路包含一第一电压产生电路、一第二电压产生电路以及一驱动电压产生电路。第一电压产生电路用以产生一第一电压信号。第二电压产生电路用以产生一第二电压信号。驱动电压产生电路电性耦接第一电压产生电路以及第二电压产生电路。驱动电压产生电路依据第一电压信号以及第二电压信号输出至少一驱动电压信号。驱动电压信号包含三电位，且其中一电位低于零电位。
在一些实施例中，至少一驱动电压信号关联于第一电压信号与第二电压信号的差值。
在一些实施例中，第一电压产生电路包含一第一晶体管以及一第二晶体管。第一晶体管的一第一端用以接收一第一输入电压。第一晶体管的一第二端电性耦接一第一节点。第二晶体管的一第一端电性耦接第一节点。第二晶体管的一第二端用以接收一第一中间电压。第一输入电压高于第一中间电压。第一节点用以输出第一电压信号。
在一些实施例中，第一中间电压低于开关元件的一临界电压。
在一些实施例中，第二电压产生电路包含一第三晶体管以及一第四晶体管。第三晶体管的一第一端用以接收一第二输入电压。第三晶体管的一第二端电性耦接一第二节点。第四晶体管的一第一端电性耦接第二节点。第四晶体管的一第二端耦接一接地端。第二节点用以输出第二电压信号。
在一些实施例中，第二输入电压高于第一中间电压。
在一些实施例中，第一电压产生电路包含一第一晶体管以及一第二晶体管。第一晶体管的一第一端用以接收一第一输入电压。第一晶体管的一第二端电性耦接一第一节点。第二晶体管的一第一端电性耦接第一节点。第二晶体管的一第二端耦接一接地端。第一节点用以输出第一电压信号。
在一些实施例中，第二电压产生电路包含一第三晶体管以及一第四晶体管。第三晶体管的一第一端用以接收一第二输入电压。第三晶体管的一第二端电性耦接一第二节点。第四晶体管的一第一端电性耦接第二节点。第四晶体管的一第二端耦接一接地端。第二节点用以输出第二电压信号。
在一些实施例中，第二电压产生电路包含一第三晶体管以及一第四晶体管。第三晶体管的一第一端用以接收一第二输入电压。第三晶体管的一第二端电性耦接一第二节点。第四晶体管的一第一端电性耦接第二节点。第四晶体管的一第二端用以接收一第二中间电压。第二输入电压高于第二中间电压。第二节点用以输出第二电压信号。
在一些实施例中，驱动电压产生电路为一变压器。变压器包含一初级绕组以及至少一次级绕组。初级绕组电性耦接第一电压产生电路以及第二电压产生电路。
在一些实施例中，次级绕组电性耦接至少一开关元件。
在一些实施例中，开关元件为一增强型氮化镓(enhancement GaN)开关。
本公开内容的一实施方式涉及一种驱动电路的驱动方法。驱动电路用以控制至少一开关元件。驱动方法包含：产生一第一电压信号；产生一第二电压信号；以及依据第一电压信号及第二电压信号输出至少一驱动电压信号。驱动电压信号包含三电位，且其中一电位低于零位准。此其中一电位用以关闭开关元件。
在一些实施例中，驱动电压信号关联于第一电压信号与第二电压信号的差值。
在一些实施例中，驱动方法还包含：控制第一电压信号于一切换周期的一开启期间内为一第一输入电压，且控制第一电压信号于该切换周期内的一关闭期间内为一第一中间电压或零电位。第一输入电压高于第一中间电压。
在一些实施例中，驱动方法还包含：控制第二电压信号于关闭期间内的部分时间为一第二输入电压。第二输入电压高于第一中间电压。
在一些实施例中，开关元件为一增强型氮化镓(enhancement GaN)开关。
本公开内容的一实施方式涉及一种驱动方法。驱动方法用以驱动一转换器电路。转换器电路包含一第一开关元件以及一第二开关元件。驱动方法包含：提供一第一电压信号以及一第二电压信号；依据第一电压信号以及第二电压信号产生一第一驱动电压信号，以通过软切换(soft switching)方式或硬切换(hard switching)方式驱动第一开关元件；以及依据第一电压信号及第二电压信号产生一第二驱动电压信号，以通过硬切换方式驱动第二开关元件。
在一些实施例中，第一驱动电压信号包含三电位，且所述电位中的至少一电位低于零电位。
在一些实施例中，转换器电路包含一降压转换器电路(buck converter circuit)、一升压转换器电路(boost converter circuit)或一升/降压转换器电路(buck-boost converter circuit)。
综上所述，在一实施例中，驱动电压信号的其中一电位低于零电位。相较于以零电位关闭开关元件的传统方式，以低于零电位的电位关闭开关元件，可避免开关元件因振荡噪声而被误开启。
此外，在一实施例中，该电位也可加快开关元件的关闭速度。
附图说明
为让本公开的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，说明书附图说明如下：
图1A示出一种现有的转换器的示意图；
图1B是图1A的驱动电路的驱动信号的波形图；
图2是依照本公开一实施例所示出的一驱动电路及开关元件的示意图；
图3是依照本公开一实施例所示出的一驱动电路的驱动方法的流程图；
图4是依照本公开另一实施例所示出的一驱动电路及开关元件的示意图；
图5是图4的控制信号源的控制信号、第一电压信号、第二电压信号、第一驱动电压信号及第二驱动电压信号的波形图；
图6是依照本公开又一实施例所示出的一驱动电路及开关元件的示意图；
图7是图6的控制信号源的控制信号、第一电压信号、第二电压信号、第一驱动电压信号及第二驱动电压信号的波形图；
图8是依照本公开再一实施例所示出的一驱动电路及开关元件的示意图；
图9是图8的控制信号源的控制信号、第一电压信号、第二电压信号、第一驱动电压信号及第二驱动电压信号的波形图；以及
图10A至图10C是依照本公开再一实施例所示出的一驱动电路及一转换器电路的方框图。
附图标记说明：
100：转换器
102、200、400、600、800、900A、900B、900C：驱动电路
202、402、602：第一电压产生电路
204、404、804：第二电压产生电路
206、406：驱动电压产生电路
300：控制方法
910、920、930：转换器电路
912、922、924、932、934、936、938：开关元件
C1：第一电容
C2：第二电容
C3：第三电容
C4：第四电容
C5：第五电容
CON1、CON2：控制信号源
GND：接地端
M1：关闭期间
M2、M3：开启期间
MP1：第一节点
MP2：第二节点
P：切换周期
P1：初级绕组
P2、P3：次级绕组
Q1：第一晶体管
Q2：第二晶体管
Q3：第三晶体管
Q4：第四晶体管
R、RG：电阻元件
S302、S304、S306：步骤
SW1、SW2：开关元件
t1、t2：死区时间
T1：开启期间
T2：关闭期间
V1：第一电压信号
V2：第二电压信号
V3、V4：驱动电压信号
VCC1：第一输入电压
VCC2：第二输入电压
Vg1、Vg2：驱动信号
Vx：第一中间电压
Vy：第二中间电压
具体实施方式
下文举实施例配合说明书附图作详细说明，但所提供的实施例并非用以限制本公开所涵盖的范围，而结构运作的描述非用以限制其执行的顺序，任何由元件重新组合的结构，所产生具有均等技术效果的装置，皆为本公开所涵盖的范围。此外，附图仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。为使便于理解，下述说明中相同元件将以相同的符号标示来说明。
在全篇说明书与权利要求所使用的用词(terms)，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在此公开的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本公开的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本公开的描述上额外的引导。
关于本文中所使用的“约”、“大约”、“大致”或“基本上”一般通常是指数值的误差或范围，其依据不同技术而有不同变化，且其范围对于本领域技术人员所理解具有最广泛的解释，藉此涵盖所有变形及类似结构。在一些实施例中，上述数值的误差或范围是指于百分之二十以内，较好地是于百分之十以内，而更佳地则是于百分之五以内。文中若无明确说明，其所提及的数值皆视作为近似值，例如可如“约”、“大约”、“大致”或“基本上”所表示的误差或范围，或其他近似值。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”…等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本公开，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的元件或操作而已。
其次，在本文中所使用的用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
另外，关于本文中所使用的“耦接”或“连接”，均可指二或多个元件相互直接作实体或电性接触，或是相互间接作实体或电性接触，也可指二或多个元件相互操作或动作。
图2是依照本公开一实施例所示出的一驱动电路200以及开关元件SW1及SW2的示意图。驱动电路200用以控制开关元件SW1及SW2。在一些实施例中，开关元件SW1及SW2为增强型氮化镓(enhancement GaN；E-GaN)开关，但本公开不以此为限制。
如图2所示，驱动电路200包含一第一电压产生电路202、一第二电压产生电路204及一驱动电压产生电路206。第一电压产生电路202以及第二电压产生电路204电性耦接驱动电压产生电路206。
图3是依照本公开一实施例所示出的一驱动电路的驱动方法300的流程图。控制方法300包含至少步骤S302、步骤S304及步骤S306。
如图2及图3所示，在步骤S302中，第一电压产生电路202产生一第一电压信号V1。在步骤S304中，第二电压产生电路204产生一第二电压信号V2。在步骤S306中，驱动电压产生电路206依据第一电压信号V1以及第二电压信号V2输出至少一驱动电压信号V3(后述称其为第一驱动电压信号)或V4(后述称其为第二驱动电压信号)。第一驱动电压信号V3或第二驱动电压信号V4具有三个电位，且至少一电位低于零电位(即，低于0伏特)。此电位可用以关闭开关元件SW1或SW2。相较于以零电位关闭开关元件的传统方式，以低于零电位的电位关闭开关元件SW1或SW2，可避免开关元件SW1或SW2因振荡噪声而被误开启。在一些其他的实施例中，低于零电位的该电位可加快开关元件SW1或SW2的关闭速度。
在一些实施例中，第一驱动电压信号V3或第二驱动电压信号V4关联于第一电压信号V1与第二电压信号V2之间的差值。本实施例的第一驱动电压信号V3等于第一电压信号V1减去第二电压信号V2即(V1-V2)，而第二驱动电压信号V4等于第二电压信号V2减去第一电压信号V1即(V2-V1)。
图4是依照本公开另一实施例所示出的一驱动电路400及开关元件SW1及SW2的示意图。如图4所示，驱动电路400包含第一电压产生电路402、第二电压产生电路404以及驱动电压产生电路406。
第一电压产生电路402包含一第一晶体管Q1以及一第二晶体管Q2。第一晶体管Q1的控制端以及第二晶体管Q2的控制端接收来自一控制信号源CON1的一控制信号。依据此控制信号，第一电压产生电路402输出第一电压信号V1于第一节点MP1。详细来说，第一晶体管Q1的一第一端用以接收一第一输入电压VCC1，且第一晶体管Q1的一第二端电性耦接一第一节点MP1。第二晶体管Q2的一第一端电性耦接第一节点MP1，且第二晶体管Q2的一第二端用以接收一第一中间电压Vx。在一些实施例中，第一输入电压VCC1高于第一中间电压Vx。
第二电压产生电路404包含一第三晶体管Q3以及一第四晶体管Q4。第三晶体管Q3的控制端以及第四晶体管Q4的控制端接收一控制信号源CON2的一控制信号。依据此控制信号，第二电压产生电路404输出第二电压信号V2于第二节点MP2。详细来说，第三晶体管Q3的一第一端用以接收一第二输入电压VCC2，且第三晶体管Q3的一第二端电性耦接第二节点MP2。第四晶体管Q4的一第一端电性耦接第二节点MP2，且第四晶体管Q4的一第二端耦接接地端GND。
图5是图4的控制信号源CON1及CON2的控制信号、第一电压信号V1、第二电压信号V2、第一驱动电压信号V3及第二驱动电压信号V4的波形图。如图4及图5所示，当控制信号源CON1的控制信号具有高位准时，第一晶体管Q1被开启且第二晶体管Q2被关闭，因此第一输入电压VCC1被传送至第一节点MP1。相反的，当控制信号源CON1的控制信号具有低位准时，第一晶体管Q1被关闭且第二晶体管Q2被开启，因此第一中间电压Vx被传送至第一节点MP1。此外，当控制信号源CON2的控制信号具有高位准时，第三晶体管Q3被开启且第四晶体管Q4被关闭，因此第二输入电压VCC2被传送至第二节点MP2。相反的，当控制信号源CON2的控制信号具有低位准时，第三晶体管Q3被关闭且第四晶体管Q4被开启，因此地电位(0伏特)被传送至第二节点MP2。
如上所述，控制信号源CON1的控制信号可用以控制第一电压信号V1于一切换周期P的开启期间T1内为第一输入电压VCC1，且控制第一电压信号V1于切换周期P内的关闭期间T2内为第一中间电压Vx。控制信号源CON2的控制信号可用以控制第二电压信号V2于切换周期P的关闭期间T2内的部分时间为第二输入电压VCC2，且控制第二电压信号V2于其他时间为零电位，如图5所示。
如图4所示，在一些实施例中，驱动电压产生电路406为一变压器，但本公开不以此为限制。在一些其他的实施例中，驱动电压产生电路406可为一数字减法器。驱动电压产生电路406(于此为变压器)包含一初级绕组P1、两次级绕组P2及P3以及一第一电容C1。初级绕组P1的两端分别电性耦接第一节点MP1及第二节点MP2，且分别用以接收第一电压信号V1以及第二电压信号V2。次级绕组P2及P3可耦合初级绕组P1的两端的跨压且将此跨压传送至开关元件SW1及SW2。
如图4所示，次级绕组P2的两端分别耦接至开关元件SW1的栅极及源极，且次级绕组P3的两端分别耦接至开关元件SW2的栅极及源极。通过设计初级绕组P1以及次级绕组P2及P3的绕线方向，开关元件SW1的栅极-源极电压可为第二驱动电压信号V4(V2-V1)，且开关元件SW2的栅极-源极电压可为第一驱动电压信号V3(V1-V2)。
如图5所示，第一驱动电压信号V3(V1-V2)具有三电位。三电位为第一输入电压VCC1的电位、第一中间电压Vx的电位以及一负电位。负电位用以关闭开关元件SW2。当第一驱动电压信号V3(V1-V2)具有负电位时，第二驱动电压信号V4(V1-V2)自低电位改变至高电位。此时，第二驱动电压信号V4(V1-V2)可能会产生振荡噪声。第一驱动电压信号V3(V1-V2)中的负电位可用以避免开关元件SW2受振荡噪声而被误开启。
如图4及图5所示，在一些实施例中，驱动电路400的第一驱动电压信号V3可用以通过软切换(soft switching)方式驱动开关元件SW2及降低噪声。此外，驱动电路400的第二驱动电压信号V4可用以通过硬切换(hard switching)方式驱动开关元件SW1及降低噪声。
另外，在一些实施例中，第一中间电压Vx低于开关元件SW2的一临界电压(threshold voltage)。因此，第一中间电压Vx可用以在死区时间(dead time)t1及t2内关闭开关元件SW2。第一中间电压Vx可降低开关元件SW2于反向导通时的压降。此外，控制信号源CON2可用以控制死区时间t1及t2以降低死区时间损耗。
在一些实施例中，如图4所示，第一电压产生电路402还包含一第二电容C2，且第二电容C2可提供及维持第一输入电压VCC1。在一些实施例中，第二电压产生电路404还包含一第三电容C3，且第三电容C3可提供及维持第二输入电压VCC2。在一些实施例中，第一电压产生电路402还包含一第四电容C4，且第四电容C4可提供及维持第一中间电压Vx。
图4所示出的驱动电路400可用以降低死区时间损耗、降低顺向电压以及实现于软切换驱动电路。此外，图4所示出的驱动电路400可实现于一降压转换器(buck converter)的低压侧驱动或一升压转换器(boost converter)的高压侧驱动。
在一些实施例中，如图4所示，驱动电路400还包含一些电阻元件RG。所述电阻元件RG可用以减少振荡噪声。另外，在一些实施例中，一些电阻元件R可设置在驱动电路400与开关元件SW1及SW2之间。所述电阻元件R可用以避免开关元件SW1及SW2发生误动作。
图6是依照本公开又一实施例所示出的一驱动电路600及开关元件SW1及SW2的示意图。图6的驱动电路600与图4驱动电路400之间不同的地方是，驱动电路600的第二晶体管Q2耦接接地端GND，而驱动电路400的第二晶体管Q2并非如此。
图7是图6的控制信号源CON1及CON2的控制信号、第一电压信号V1、第二电压信号V2、第一驱动电压信号V3及第二驱动电压信号V4的波形图。由于驱动电路600的第二晶体管Q2的第二端耦接接地端GND，因此，控制信号源CON2的控制信号可控制第一电压信号V1在关闭期间T2内为零电位(零伏特)。以第一驱动电压信号V3(V1-V2)为例，电位(-VCC2)用以关闭开关元件SW2。相较于传统以零电位关闭开关元件SW2，利用负电位(-VCC2)可加快开关元件SW2的关闭速度。此外，为了得到更佳的结果，控制信号源CON2可控制死区时间t2与关闭期间T2的比例为更大。
如图6及图7所示，在一些实施例中，驱动电路600的第一驱动电压信号V3可用以通过硬切换方式驱动开关元件SW2且降低噪声。
图8是依照本公开再一实施例所示出的一驱动电路800及开关元件SW1及SW2的示意图。图8的驱动电路800与图6驱动电路600之间不同的地方是，驱动电路800的第四晶体管Q4的第二端用以接收一第二中间电压Vy，而驱动电路600的第四晶体管Q4的第二端并非如此。在一些实施例中，第二电压产生电路804还包含一第五电容C5，且第五电容C5可提供及维持第二中间电压Vy。
图9是图8的控制信号源CON1及CON2的控制信号、第一电压信号V1、第二电压信号V2、第一驱动电压信号V3及第二驱动电压信号V4的波形图。由于驱动电路800的第四晶体管Q4的第二端用以接收第二中间电压Vy，因此控制信号源CON2的控制信号可控制第二电压信号V2在开启期间T1及关闭期间T2内的部分时间为第二中间电压Vy。
相同于图7，图9中的第一驱动电压信号V3(V1-V2)在进入关闭期间T2时亦具有负电位，此负电位可用以加快开关元件SW2的关闭速度。
如图8及图9所示，在一些实施例中，驱动电路800的第一驱动电压信号V3可用以通过硬切换方式驱动开关元件SW2且降低噪声。第一驱动电压信号V3可用以加速开关元件SW2的关闭速度。
另外，驱动电路800的第二驱动电压信号V4可用以通过硬切换方式驱动开关元件SW1且降低噪声。驱动电路800的第二驱动电压信号V4可用以加速开关元件SW1的关闭速度或开启速度。
图6所示出的驱动电路600及图8所示出的驱动电路800可达到高Dv/dt以降低开启损耗，且可实现硬切换驱动电路。此外，图6所示出的驱动电路600及图8所示出的驱动电路800可实现于降压转换器的高压侧驱动或升压转换器的低压侧驱动。
第10A至图10C是依照本公开再一实施例所示出的一驱动电路及一转换器电路的方框图。
如图10A所示，转换器电路910包含开关元件912。开关元件912可以是一晶体管。驱动电路900A用以驱动转换器电路910中的开关元件912。转换器电路910可以是逆向转换器(flyback converter circuit)、正向转换器(forward converter circuit)或其它转换器电路。在一些实施例中，驱动电路900A可为图4中的驱动电路400、图6的驱动电路600或图8的驱动电路800。
如图10B所示，转换器电路920包含两个开关元件922及924。开关元件922或924可为一晶体管。驱动电路900B用以驱动转换器电路920的开关元件922及924。转换器电路920可为一降压转换器电路(buck converter circuit)、一升压转换器电路(boost converter)、一升/降压转换器电路(buck-boost converter circuit；set-down and set-up converter)或其它转换器电路。在一些实施例中，驱动电路900B可为图4的驱动电路400、图6的驱动电路600或图8的驱动电路800。
如图10C所示，转换器电路930包含四个开关元件932、934、936及938。开关元件932、934、936或938可为一晶体管。驱动电路900C用以驱动转换器电路930的开关元件932、934、936及938。转换器电路930可为一全桥式转换器电路(full-bridge converter circuit)或其它转换器电路。在一些实施例中，驱动电路900C可为图4的驱动电路400、图6的驱动电路600或图8的驱动电路800。
综上所述，在一实施例中，驱动电压信号的其中一电位低于零电位，相较于以零电位关闭开关元件的传统方式，以低于零电位的电位关闭开关元件，可避免开关元件因振荡噪声而被误开启。
另外，驱动电路可控制死区时间，使得驱动电路的输出信号满足任何所需的应用。此外，第一中间电压(Vx)及第二中间电压(Vy)被应用于驱动电路中以得到较佳的驱动电压信号。
此外，在一实施例中，低于零电位的该电位也可用以加快开关元件的关闭速度。
虽然本公开已以实施方式公开如上，然其并非用以限定本公开，任何本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围内，当可作各种变动与润饰，因此本公开的保护范围当以权利要求所界定为准。