一种基于四段斜坡式栅极驱动技术的开关电源转换器的制作方法

本发明涉及开关电源转换器，更确切地说，它涉及一种基于四段斜坡式栅极驱动技术的开关电源转换器。

背景技术：

1、开关电源转换器在电动汽车、数据中心、储能以及高性能消费电子等具有广泛的应用。随着节能和碳中和的要求，降低转换器开关能耗并提高电能转换效率，以及通过提高转换器开关频率来缩小系统尺寸体积以减少物料成本成为了迫切的需求。图1是传统的开关电源转换器电路，包含pwm控制器、功率开关管mh和ml以及电阻型栅极驱动、自举电压产生电路、电感和输出电容等。下面简单阐述开关管开通过程的工作原理。在上管mh的开通过程中，如图2所示，开关管的栅源级电压vgs开始上升，当vgs上升到时间点t1时到达开关管上管mh的阈值电压，mh开始开通，开关管电流idh开始上升。在时间点t1到时间点t2的区间，开关管电流idh从零上升到电感电流值，此区间被称为di/dt电流切换区间。而在时间点t2到时间点t3的区间，开关管mh的漏源端电压vds开始下降，即开关节点vsw的电压开始上升，如图2所示，此区间被称为dv/dt电压切换区间也被称为米勒平台电压vmp区间。直到vsw上升到和输入电压vin接近，dv/dt电压切换完成，从时间点t3到时间点t4的区间，vgs继续上升并进一步降低开关管mh的导通电阻来降低导通损耗。因此，如图2所示，开关管mh的开通过程经历了四个区间：分别为阈值电压前的区间tp1，di/dt区间tp2，dv/dt区间或者米勒平台区间tp3，以及米勒平台之后到vgs达到最终电压的区间tp4。由于高开关频率和快速的开关过程导致极大的电流idh和电压vsw的过冲，这不仅会造成开关管因过压或者过流而损坏，而且idh的过流(ispike)会导致巨大的输入端纹波从而影响其他电子系统造成传导型的电磁干扰(emi)。此外，vsw的过压(vspike)和快速的dv/dt变化也会产生辐射型emi，影响其他通讯电子系统的正常工作。传统的改善方法是在栅极增加一个电阻rg，然而，这会极大的增长vgs从t0到t4的整个开通过程的时间，限制了开关速度和系统的开关频率。另一方面，开关管mh的开通损耗由vds和idh的交叠区决定，如图3所示，psw_mh三角形区域交叠区为开关管mh的开通损耗。而增加的rg使得t1到t3的时间拉长，增加了交叠区面积和每个开关周期上管mh开关损耗，从而降低了系统的电能转换效率。此外，氮化镓、碳化硅等第三代半导体相比于传统的硅，具有击穿电压高、寄生电容小、导通阻抗低和开关损耗小等优势,开关过程的电流和电压过冲会更大或者驱动产生巨大的振铃，会造成更严重的电磁干扰问题。由于氮化镓栅极容易击穿损坏，过快的驱动极其容易造成栅极的过压而导致永久损坏，而过慢的驱动则会极大的降低效率且限制开关频率。

2、因此，传统的开关电源转换器及栅极驱动方式面临的挑战包括：

3、1.高开关频率导致极大的电流过冲，造成对其他电子系统电磁干扰(emi)

4、2.快速开关导致开关管电压过冲或者产生巨大的振铃，导致开关管击穿并影响系统可靠性

5、3.电阻型栅极驱动使得栅极驱动时间拉长，增加开关损耗，从而降低了系统的电能转换效率

6、4.氮化镓和碳化硅具有更小的寄生电容和导通阻抗，开关过程导致的过流、过压和振铃更加严重，会造成更严重的电磁干扰问题。氮化镓的栅极易击穿，对栅极驱动要求高。

7、以上问题如果未解决和未经优化设计，可能造成开关电源转换器电磁干扰大、电能效率低、系统工作不稳定以及器件易损坏等可靠性问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种基于四段斜坡式栅极驱动技术的开关电源转换器，包括pwm控制器、上下开关管、自举电压产生电路、栅极驱动器、电感和输出电容；

2、栅极驱动器为四段自适应斜坡式栅极驱动器，所述四段斜坡式栅极驱动器通过调节上开关管mh开通过程的四个阶段的驱动电流，控制上开关管mh的开通速度；

3、四个阶段包括上开关管栅源电压vgs低于阈值电压时的第一段斜坡、在di/dt电流切换区间时的第二斜坡、在dv/dt电压切换区间时的第三斜坡和功率管栅源电压vgs到达驱动电压最终值时的第四斜坡。

4、作为优选，四段自适应斜坡式栅极驱动器由第一段驱动电流i1控制电路、上管vgs电压检测单元、第二段驱动电流i2控制电路、上管idh电流检测单元、第三段驱动电流i3控制电路、上管vds电压检测单元和第四段驱动电流i4控制电路组成；

5、当输入信号vton从低变为高时，四段自适应斜坡式栅极驱动器开始开通上管mh的过程；其中，在第一段斜坡时，采用与输入寄生电容cg成正比的第一段电流i1进行驱动；在第二段斜坡时，关闭第一段电流i1，采用与电感电流成正比的第二段电流i2进行驱动；在第三段斜坡时，采用与输入电压vin成正比的第三段电流i3进行驱动；在第四段斜坡时，采用与输入寄生电容cg成正比的第四段电流i4进行驱动。

6、作为优选，在第一段斜坡时，对上开关管mh的栅极进行预充电，由于上开关管栅源电压vgs低于阈值电压，上开关管mh并没有开通且电流一直为零。

7、作为优选，在第二段斜坡时，电感电流比较小时以小的第二段电流i2进行驱动，防止电流过冲；而电感电流较大时，第二段电流i2会同比例增大以实现快速开通的同时，抑制开关管电流idh过冲和电磁干扰。

8、作为优选，在第三段斜坡时，输入电压vin较小时以小的第三段电流i3进行驱动，防止开关节点vsw电压过冲；而输入电压vin较高时，第三段电流i3会同比例增大以实现快速开通的同时，抑制开关节点vsw过冲和振铃。

9、作为优选，通过vds检测单元检测和比较开关节点vsw和输入电压vin的关系以确定dv/dt电压切换完成，启动第四段电流i4驱动vgs到达驱动电压最终值；并通过第四段电流i4快速增大上开关管栅源电压vgs，来降低上开关管mh的导通电阻和导通损耗。

10、作为优选，设置有栅极驱动电压保护电路来防止栅极过压；

11、所述栅极驱动电压保护电路包括自举电压vbst过压检测电路和上开关管栅源电压vgs过压检测电路；在自举电压vbst过压时，自举电压vbst过压检测电路控制上开关管栅源电压vgs处于低电平来关闭上开关管mh；在上开关管栅源电压vgs过压时，上开关管栅源电压vgs过压检测电路控制上开关管栅源电压vgs处于低电平来关闭上开关管mh。

12、本发明的有益效果是：

13、1.本发明提供的四段斜坡式栅极驱动器可以通过调节上管mh开通过程的四个阶段的驱动强度和控制驱动电压上升斜率，实现低电磁干扰和低过冲电压和电流的同时，降低开关损耗和提升电能转换效率。

14、2.本发明提出的四段斜坡式栅极驱动器中，在第一段斜坡，第一段驱动电流i1采用预设值的方式且与输入寄生电容cg成正比，以实现用相同的驱动时间来驱动不同导通电阻和输入寄生电容cg功率管。

15、3.本发明提出的四段斜坡式栅极驱动器中，在第二段斜坡，电感电流比较小时以小的i2进行驱动，防止电流过冲；而电感电流较大时，i2会同比例增大以实现快速开通的同时，抑制idh电流过冲和电磁干扰。

16、4.本发明提出的四段斜坡式栅极驱动器中，在第三段斜坡，vin较小时以小的i3进行驱动，防止开关节点vsw电压过冲；而vin较高时，i3会同比例增大以实现快速开通的同时，抑制vsw过冲和振铃。

17、5.本发明提出的四段斜坡式栅极驱动器中，在第四段斜坡，i4采用预设值的方式且与输入寄生电容cg成正比，以实现用相同的驱动时间来驱动不同导通电阻和输入寄生电容的功率管，通过第四段电流i4快速将vgs拉高来降低开关管的导通电阻和降低导通损耗。