一种降低栅极驱动电路功耗的方法及装置与流程

1.本发明涉及栅极驱动电路技术领域，特别涉及一种降低栅极驱动电路功耗的方法及装置。


背景技术：

2.为充分发挥功率晶体管的性能，在电力电子应用中常常需要对功率晶体管设计专用的驱动电路。功率晶体管的通断受控于其栅极和源极(对mosfet及hemt器件而言，对igbt器件应为发射极，下同)之间的电压，当其超过其开通阈值电压时，功率晶体管就会开通，反之功率晶体管就会关断。受跨导限制，大多数功率晶体管的开通阈值电压相对于其正向驱动电压较低，在实际工况中，如半桥模块中，桥臂上下管会因栅极-漏极寄生电容(对mosfet及hemt器件而言，对igbt器件应为栅极-集电极寄生电容，下同)相互影响，严重的会引起功率晶体管的寄生开通，导致桥臂直通，烧毁模块或设备。
3.因此，在系统设计中常常需要引入负压驱动技术，以保证功率晶体管在关断时栅极相对源极处于负压，防止其寄生开通。然而出于成本考量，负、压发生电路通常会有较大的输出内阻，如电荷泵负压发生电路。较大的输出内阻使所述负压发生电路在驱动大电流负载时输出的负压绝对值减小，从而影响被驱动器件的开关性能，同时也会增加被驱动器件发生寄生开通的风险。同时驱动电路部分的功耗将大幅增加，从而导致驱动电路发热严重，这大大限制了系统的小型化和集成化，进而增加了布线产生的寄生参数，进而制约了功率晶体管的开关频率，进而进一步限制了系统的小型化和轻量化。


技术实现要素：

4.本发明的目的之一在于，提供一种降低栅极驱动电路功耗的装置，能够有效地降低栅极驱动电路消耗的功耗，从而减小栅极驱动电路的发热，进而允许使用栅极驱动电路的电源转换器系统的小型化、高频化及轻量化。
5.为了解决上述技术问题，本技术提供如下技术方案：
6.一种降低栅极驱动电路功耗的装置，包括时序发生电路、开关管q1、开关管q2、开关管q3、开关管q4、驱动电阻r
p
、驱动电阻rn、和驱动电阻rz；
7.其中，开关管q1、开关管q2构成半桥正负驱动器；开关管q3、开关管q4构成零电压驱动器。
8.进一步，所述时序发生电路用于接收输入pwm信号，进行时序处理，产生四路pwm信号，控制开关管q1、开关管q2、开关管q3和开关管q4的通断。
9.进一步，所述时序发生电路用于当输入pwm信号由低电平到高电平时，关闭开关管q2，打开开关管q3和开关管q4，此时输出栅极开路电压vg由负电压vn变为零伏；待被驱动器件栅极电压上升至零伏，并保持预设时间后，关闭开关管q3和开关管q4，打开开关管q1，此时输出栅极开路电压vg由零伏变为正电压v
p
；
10.还用于当输入pwm信号保持高电平时，使开关管q1维持开通状态，开关管q2、开关
管q3和开关管q4维持关断状态，输出栅极开路电压vg维持正电压v
p
；
11.还用于当输入pwm信号由高电平到低电平时，关闭开关管q1，打开开关管q3和开关管q4，此时输出栅极开路电压vg由正电压v
p
变为零伏；待被驱动器件栅极电压下降至零伏，并保持预设时间后，关闭开关管q3和开关管q4，打开开关管q2，此时输出栅极开路电压vg由零伏变为负电压vn；
12.还用于输入pwm信号保持低电平时，使开关管q2维持开通状态，开关管q1、开关管q3和开关管q4维持关断状态，输出栅极开路电压vg维持负电压vn。
13.进一步，所述开关管q1的栅极与时序发生电路连接，开关管q1的源极连接正电压v
p
，开关管q1的漏极与驱动电阻r
p
的一端连接；
14.开关管q2的栅极与时序发生电路连接，开关管q2的源极连接负电压vn，开关管q2的漏极与驱动电阻rn的一端连接；
15.开关管q3的栅极与时序发生电路连接，开关管q3的源极与开光管q4的漏极连接，开关管q3的漏极与驱动电阻rz的一端连接；
16.开关管q4的栅极与时序发生电路连接，开关管q4的源极接地。
17.进一步，所述开关管q1、开关管q4为p型mos管，开关管q2、开关管q3为n型mos管。
18.本发明的目的之二在于，提供一种降低栅极驱动电路功耗的方法，包括如下步骤：
19.s1、时序发生电路接收输入pwm信号；
20.s2、当输入pwm信号由低电平到高电平时，关闭开关管q2，打开开关管q3和开关管q4，此时输出栅极开路电压vg由负电压vn变为零伏；待被驱动器件栅极电压上升至约零伏后，关闭开关管q3和开关管q4，打开开关管q1，此时输出栅极开路电压vg由零伏变为正电压v
p
；
21.s3、输入pwm信号保持高电平，开关管q1维持开通状态，开关管q2、开关管q3和开关管q4维持关断状态，输出栅极开路电压vg维持正电压v
p
；
22.s4、当输入pwm信号由高电平到低电平时，关闭开关管q1，打开开关管q3和开关管q4，此时输出栅极开路电压vg由正电压v
p
变为零伏；待被驱动器件栅极电压下降至约零伏后，关闭开关管q3和开关管q4，打开开关管q2，此时输出栅极开路电压vg由零伏变为负电压vn；
23.s5、输入pwm信号保持低电平，开关管q2维持开通状态，开关管q1、开关管q3和开关管q4维持关断状态，输出栅极开路电压vg维持负电压vn；当输入pwm信号由低电平到高电平时，回到步骤s2，如此循环。
24.与现有技术相比，本发明有益效果是：
25.本方案的驱动电路在对被驱动器件进行开通时，先将栅极电压从负电压拉至零电压，经过短暂延时后，再将零电压拉至正电压，从而在保证被驱动器件正常开通的同时使栅极负电荷经由地回路泄放而非正压回路，进而减小驱动电路的正电源电流消耗；
26.同理，在对被驱动器件进行关断时，先将栅极电压从正电压拉至零电压，经过短暂延时后，再将零电压拉至负电压，从而在保证被驱动器件正常关断的同时使栅极正电荷经由地回路泄放而非负压回路，进而减小驱动电路的负电源电流消耗。
27.本方案能有效地降低栅极驱动电路消耗的功率。假设负驱动电压vn来自一电荷泵反相器，该电荷泵供电来自一线性稳压器，其输入来自正驱动电压v
p
，则本发明可将栅极驱
动电路的动态功耗减少约50％。
28.本方案减小了栅极驱动电路对正负供电电流的消耗，因此在使用同样输出电压及内阻的电源电路时本方案的栅极驱动电路输出的电压绝对值更高，从而减小被驱动器件的导通损耗、关断损耗以及寄生开通风险，进而提升系统性能及可靠性。
29.和传统两电平栅极驱动器相比，开关管q3和开关管q4的引入允许被驱动器件的栅极有一零伏平台，该电压距离正负输出电压均有足够绝对值差，因此无需过多考虑栅极电压震荡，从而允许开关管q3、开关管q4使用更小的输出驱动电阻甚至不使用输出驱动电阻，进而加快驱动速度，减小被驱动器件开关损耗。
30.综上，本方案能够有效地降低栅极驱动器消耗的功耗，从而减小栅极驱动器的发热，进而允许使用所述栅极驱动器的电源转换器系统的小型化、高频化及轻量化。
附图说明
31.图1为实施例一种降低栅极驱动电路功耗的装置的电路拓扑图；
32.图2为实施例一种降低栅极驱动电路功耗的装置的信号时序图。
具体实施方式
33.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
34.实施例
35.本实施例的一种降低栅极驱动电路功耗的装置，包括：时序发生电路，开关管q1、开关管q2、开关管q3和开关管q4，驱动电阻r
p
、驱动电阻rn、驱动电阻rz和被驱动功率晶体管q5。
36.其中，开关管q1、开关管q2构成半桥正负驱动器，开关管q3、开关管q4构成零电压驱动器。时序发生电路采用asic，即专用集成电路。
37.如图1所示，本实施例中，开关管q1的栅极与时序发生电路连接，开关管q1的源极连接正电压v
p
，开关管q1的漏极与驱动电阻r
p
的一端连接；
38.开关管q2的栅极与时序发生电路连接，开关管q2的源极连接负电压vn，开关管q2的漏极与驱动电阻rn的一端连接；
39.开关管q3的栅极与时序发生电路连接，开关管q3的源极与开光管q4的漏极连接，开关管q3的漏极与驱动电阻rz的一端连接；
40.开关管q4的栅极与时序发生电路连接，开关管q4的源极接地。
41.本实施例的图1仅表示器件之间的逻辑关系，具体电路实现还需电平移位电路以驱动开关管q1～开关管q4，该部分仅与具体实现相关，与本发明之创新点无关，因此在此不予体现，使用现有技术即可。
42.本实施例中，开关管q1、开关管q4为p型mos管，开关管q2、开关管q3为n型mos管，实际电路实现不必限制于此，应根据电平移位电路的复杂性以及具体实现可选的器件，因地制宜选择合适的器件。同时，开关管q3、开关管q4的驱动信号不必同步，可以利用体二极管的自然导通特性，在同一时刻仅驱动其中一个。进而，开关管q3、开关管q4亦可使用一个无体二极管的水平型器件替代。在其他实施例中，还可以集成化，例如将时序发生asic、开关管q1～开关管q4、驱动电阻r
p
、驱动电阻rn、驱动电阻rz以及其他外围电路集成到一颗asic
中构成完整的栅极驱动芯片。
43.时序发生电路用于接收输入pwm信号，时序发生电路其内部逻辑单元对其进行时序处理，产生四路pwm信号，其中两路pwm信号控制开关管q1和开关管q2，实现正、负栅极驱动电压输出；另外两路pwm信号控制开关管q3和开关管q4，实现零伏栅极驱动电压输出。
44.具体的，如图2，电路工作原理分为四个阶段：
45.阶段i：当输入pwm信号由低电平到高电平时，关闭开关管q2，打开开关管q3和开关管q4，此时输出栅极开路电压vg由负电压vn变为零伏；待被驱动器件栅极电压上升至零伏，并保持预设时间后，关闭开关管q3和开关管q4，打开开关管q1，此时输出栅极开路电压vg由零伏变为正电压v
p
。预设时间为15ns-25ns。
46.阶段ii：此时输入pwm信号保持高电平，开关管q1维持开通状态，开关管q2、开关管q3和开关管q4维持关断状态，输出栅极开路电压vg维持正电压v
p
。
47.阶段iii：当输入pwm信号由高电平到低电平时，关闭开关管q1，打开开关管q3和开关管q4，此时输出栅极开路电压vg由正电压v
p
变为零伏；待被驱动器件栅极电压下降至零伏，并保持预设时间后，关闭开关管q3和开关管q4，打开开关管q2，此时输出栅极开路电压vg由零伏变为负电压vn。
48.阶段iv：此时输入pwm信号保持低电平，开关管q2维持开通状态，开关管q1、开关管q3和开关管q4维持关断状态，输出栅极开路电压vg维持负电压vn。被驱动器件的一个开关周期包括上述四个阶段，阶段iv结束后在下一开关周期回到阶段i。
49.本实施例中，图2的时序图q1～q4部分高电平为开通，低电平为关断，不应被理解为对应开关管实际的栅极电压。实际电路中，asic可由任何可以产生前述时序的分立电路、可编程逻辑器件、单片机等替代，其实现方式不影响专利的有效性。为简化讨论，突出本专利之重点，图2及上述文字并未包含死区时间，实际应用中应按需求加入死区，以避免v
p
、vn及零伏之间发生短路。
50.基于降低栅极驱动电路功耗的装置，本实施例还提供一种降低栅极驱动电路功耗的方法，包括如下步骤：
51.s1、时序发生电路接收输入pwm信号；
52.s2、当输入pwm信号由低电平到高电平时，关闭开关管q2，打开开关管q3和开关管q4，此时输出栅极开路电压vg由负电压vn变为零伏；待被驱动器件栅极电压上升至零伏，并保持预设时间后，关闭开关管q3和开关管q4，打开开关管q1，此时输出栅极开路电压vg由零伏变为正电压v
p
。
53.s3、输入pwm信号保持高电平，开关管q1维持开通状态，开关管q2、开关管q3和开关管q4维持关断状态，输出栅极开路电压vg维持正电压v
p
。
54.s4、当输入pwm信号由高电平到低电平时，关闭开关管q1，打开开关管q3和开关管q4，此时输出栅极开路电压vg由正电压v
p
变为零伏；待被驱动器件栅极电压下降至零伏，并保持预设时间后，关闭开关管q3和开关管q4，打开开关管q2，此时输出栅极开路电压vg由零伏变为负电压vn。
55.s5、输入pwm信号保持低电平，开关管q2维持开通状态，开关管q1、开关管q3和开关管q4维持关断状态，输出栅极开路电压vg维持负电压vn。当输入pwm信号由低电平到高电平时，回到步骤s2，如此循环。
56.现有的两电平栅极驱动器只包括推挽电路即开关管q1、开关管q2组成的半桥部分，开通时全部栅极电荷由正电源提供，关断时全部栅极电荷由负电源吸收。
57.本实施例在开通时正电源仅提供被驱动器件栅极电压从零伏上升至v
p
时消耗的电荷，在关断时负电源仅提供被驱动器件栅极电压从零伏下降至vn时消耗的电荷。
58.假设被驱动器件栅极输入电容为c
iss
，栅极-漏极电荷为q
gd
，开关频率为f
sw
，正电压为v
p
，负电压为vn，并且开通、关断均为硬开关，则两电平栅极驱动器的理论动态电流消耗为：
59.i
p
＝[(v
p-vn)*c
iss
+q
dg
]*f
sw
[0060]
|in|＝[(v
p-vn)*c
iss
+q
dg
]*f
sw
[0061]
对于本实施例的三电平栅极驱动装置，同样工况下的理论动态电流消耗为：
[0062]ip
＝(v
p
*c
iss
+q
gd
)*f
sw
[0063]
|in|＝(-vn*c
iss
)*f
sw
[0064]
假设负电压vn来自一电荷泵反相器，该电荷泵供电来自一线性稳压器，其输入来自正电压v
p
，则两种驱动电路的总正驱动理论动态电流分别为：
[0065]ip_两电平
＝2*[(v
p-vn)*c
iss
+q
dg
]*f
sw
[0066]ip_三电平
＝[(v
p-vn)*c
iss
+q
dg
]*f
sw
[0067]
由此可见，本方案可减小栅极驱动电路50％的理论动态功耗。对于高频、大功率系统，栅极驱动电路的功率消耗几乎完全由动态电流构成，静态功耗可以忽略不计，因此方案可减小栅极驱动电路接近50％的功耗。
[0068]
以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。