一種驅動功率電晶體的系統和方法與流程

2023-05-02 16:47:06

本發明涉及電路領域，更具體地涉及驅動功率電晶體的系統和方法。

背景技術：

近年來，隨著電子產業和集成電路的快速發展，各國對電子產品能耗的要求越來越高。在小功率電源轉換器領域，雙極型功率電晶體(bipolar power transistor，本文簡稱為功率電晶體)以良好的開關特性和低廉的價格等優勢得以廣泛使用。為了滿足能耗標準，期望降低用於功率電晶體的驅動電路的損耗，提高該驅動電路的效率。

在現有的用於功率電晶體的驅動電路中，不管輸入電壓高低，都採用固定的驅動電流來驅動功率電晶體。這樣，很容易出現以下情況：當輸入電壓低時，由於導通時間長，功率電晶體的輸入電荷過多，功率電晶體很容易進入深度飽和的工作狀態，從而導致功率電晶體的關斷速度慢，關斷損耗上升；當輸入電壓高時，由於導通時間短，功率電晶體的輸入電荷不足，功率電晶體未進入飽和的工作狀態，從而導致功率電晶體的導通損耗上升。在上述兩種情況下，用於功率電晶體的驅動電路的能耗都比較高。

技術實現要素：

鑑於以上所述的問題，本發明提供了一種新穎的驅動功率電晶體的系統和方法。

根據本公開的一個方面，提供了一種驅動功率電晶體的系統，包括：比例轉換電路，被配置為基於第一控制信號，利用第一轉換比例或第二轉換比例對表徵流過功率電晶體的電流的第一表徵信號進行轉換，生成第二表徵信號；以及開關驅動電路，被配置為基於第二控制信號、第三控制信號、以及第二表徵信號，生成控制功率電晶體的導通與截止的驅動信號， 其中比例轉換電路在第一控制信號處於高電平時利用第一轉換比例對第一表徵信號進行轉換，並且在第一控制信號處於低電平時利用第二轉換比例對第一表徵信號進行轉換，開關驅動電路在第二控制信號處於高電平且第三控制信號處於低電平的第一時段內將第一預定信號作為驅動信號，在第二控制信號處於高電平且第三控制信號處於低電平的第二時段內將第二表徵信號作為驅動信號，並且在第二控制信號和第三控制信號均處於高電平時將第二預定信號作為驅動信號。

根據本公開的另一方面，提供了一種驅動功率電晶體的方法，包括：基於第一控制信號，利用第一轉換比例或第二轉換比例對表徵流過功率電晶體的電流的第一表徵信號進行轉換，生成第二表徵信號；以及基於第二控制信號、第三控制信號、以及第二表徵信號，生成控制功率電晶體的導通與截止的驅動信號，其中在第一控制信號處於高電平時利用第一轉換比例對第一表徵信號進行轉換，並且在第一控制信號處於低電平時利用第二轉換比例對第一表徵信號進行轉換，在第二控制信號處於高電平且第三控制信號處於低電平的第一時段內將第一預定信號作為驅動信號，在第二控制信號處於高電平且第三控制信號處於低電平的第二時段內將第二表徵信號作為驅動信號，並且在第二控制信號和第三控制信號均處於高電平時將第二預定信號作為驅動信號。

根據本申請實施例的基於導通時間控制驅動功率電晶體的系統和方法提供了一種以較低功率損耗來驅動功率電晶體的途徑。取決於實施例，還可以獲得一個或多個益處。參考下面的詳細描述和附圖可以全面地理解本發明的這些益處以及各個另外的目的、特徵和優點。

附圖說明

下面，將結合附圖對本發明的示例性實施例的特徵、優點和技術效果進行描述，附圖中相似的附圖標記表示相似的元件，其中：

圖1是示出了根據本公開的實施例的、基於導通時間控制驅動功率電晶體的系統的框圖。

圖2是示出了根據本公開的實施例的、基於導通時間控制驅動功率晶 體管的方法的流程圖。

圖3是示出了根據本公開的實施例的、示出基於導通時間控制驅動功率電晶體的方法中各信號與功率電晶體的基極電流的時序關係的簡化時序圖。

圖4是示出了根據本公開的實施例的、示出基於導通時間控制驅動功率電晶體的方法中各信號與功率電晶體的基極電流的另一時序關係的簡化時序圖。

具體實施方式

下面將詳細描述本發明的各個方面的特徵和示例性實施例。在下面的詳細描述中，提出了許多具體細節，以便提供對本發明的全面理解。但是，對於本領域技術人員來說很明顯的是，本發明可以在不需要這些具體細節中的一些細節的情況下實施。下面對實施例的描述僅僅是為了通過示出本發明的示例來提供對本發明的更好的理解。本發明決不限於下面所提出的任何具體配置和算法，而是在不脫離本發明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和算法的任何修改、替換和改進。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結構和技術，以便避免對本發明造成不必要的模糊。

圖1是示出根據本發明實施例的驅動功率電晶體的系統的框圖。如圖1所示，驅動功率電晶體的系統100包括開關驅動電路102、採樣電壓K1/K2比例轉換電路104，並且還可選的包括脈衝生成電路101、偏置電流電路103、固定導通時間生成電路105。此外，系統還可以包括變壓器的原邊繞組電感106、功率電晶體107、以及採樣電阻108。

在一個示例中，功率電晶體107是雙極結型電晶體。在另一示例中，功率電晶體107是場效應電晶體(例如，金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET))。在又另一示例中，功率電晶體107是絕緣柵雙極電晶體(IGBT)。在各種示例中，偏置電路往往有若干元件，其中偏置電阻Re的電阻值可以由本領域技術人員根據需要設置。

如圖1所示，脈衝生成電路101與開關驅動電路102、偏置電流電路103、K1/K2比例轉換電路104、以及功率電晶體107的基極相耦接。開關 驅動電路102與脈衝生成電路101、偏置電流電路103、K1/K2比例轉換電路104相耦接。偏置電流電路103與脈衝生成電路101、開關驅動電路102相耦接。K1/K2比例轉換電路104與脈衝生成電路101、開關驅動電路102、固定導通時間生成電路105、以及採樣電阻108相耦接。原邊繞組電感106的一端相耦接與功率電晶體107的集電極相耦接，另一端接開關電源的輸入電壓VIN。功率電晶體107的基極與脈衝生成電路101相耦接，集電極與原邊繞組電感106的一端相耦接，並且發射極與採樣電阻108的一端相耦接。採樣電阻108的一端與功率電晶體107的發射極相耦接，另一端接地。

根據一些實施例，開關驅動電路102接收來自脈衝生成電路101的脈寬調製(PWM)信號/預關斷信號(PWM_PRE)、來自偏置電流電路103的偏置電流信號IB、以及來自K1/K2比例轉換電路104的電流信號ICS。開關驅動電路102可以基於所接收的脈衝開關信號PWM/PWM_PRE、偏置電流信號IB和斜坡電流信號ICS來生成基極驅動電流信號IBASE，以控制功率電晶體107的導通和截止。

採樣電阻106上對開關電源進行採樣，所得的電壓信號VCS被輸入K1/K2比例轉換電路104。隨後K1/K2比例轉換電路104按不同K1/K2比例將電壓信號VCS轉換成斜坡電流信號ICS。具體地，如果脈衝開關信號PWM的導通時間PWM_ON小於固定導通時間TON_TH(例如，導通時間閾值)，則K1/K2比例轉換電路104將VCS按K1比例轉換成ICS，並且如果脈衝開關信號PWM的導通時間PWM_ON大於固定導通時間TON_TH，則K1/K2比例轉換電路104首先將VCS以較大的K1比例轉換，隨後再進一步以較小的K2比例轉換成ICS，其中K1比例在大小上相較K2比例更大；並且其中固定導通時間TON_TH是可以根據實際情況預定義的閾值時間。

從而，當系統輸入電壓VIN高時，由於PWM導通時間PWM_ON比固定導通時間TON_TH短，使得VCS能採用大的K1比例轉換成ICS，較大ICS能確保基極輸入電荷足夠使功率電晶體107進入飽和的工作狀態，減少功率電晶體導通損耗。而當系統輸入電壓VIN低時，由於PWM導通時間PWM_ON遠比固定導通時間TON_TH長，使得VCS首先以較大的K1比例轉 換，隨後再進一步以較小的K2比例轉換成ICS，這樣轉換產生的較小ICS能保證基極輸入電荷不過剩，減少功率電晶體107的驅動損耗。

圖2是示出了根據本公開的實施例的、基於導通時間控制驅動功率電晶體的方法的流程圖。該圖僅作為示例，其不應該不適當地限制權利要求的範圍。本領域的普通技術人員應該理解很多變化、替代和修改。

方法開始於步驟201，接收脈寬調製PWM信號以及來自功率電晶體的發射極的採樣電壓信號VCS；並且隨後在步驟202，將電壓信號VCS轉換成電流信號ICS。其中如果PWM的導通時間PWM_ON小於導通時間閾值，則將電壓信號VCS按K1比例轉換成電流信號ICS，並且如果PWM_ON大於導通時間閾值，則首先將電壓信號VCS按K1比例轉換、隨後再進一步以K2比例轉換成電流信號ICS，其中K1比例在大小上相較K2比例更大。

方法隨後前進到步驟203，接收PWM信號、偏置電流信號IB、以及電流信號ICS，並且至少部分地基於電流信號ICS來生成基極驅動電流信號IBASE以驅動功率電晶體。

圖3是示出了根據本公開的實施例的、示出基於導通時間控制驅動功率電晶體的方法中各信號與功率電晶體的基極電流的時序關係的簡化時序圖300。該圖僅作為示例，其不應該不適當地限制權利要求的範圍。本領域的普通技術人員應該理解很多變化、替代和修改。如圖3所示，波形301代表固定導通時間TON_TH，波形302代表隨時間變化的PWM信號，波形303代表隨時間變化的PWM_PRE信號，並且波形304代表隨時間變化的基極驅動電流信號IBASE。

圖3示出了當系統輸入電壓VIN高時的信號時序。其中對於PWM信號相關聯的導通時間段和關斷時間段，導通時間段PWN_ON在時間t0處開始並且在時間t3處結束。例如，t0≤t1≤t2≤t3≤t4。其中，根據功率二極體的基極電流和發射極電流之間的關係，可以將由採樣電阻(例如，採樣電阻108)所採樣的電壓VCS與基極驅動電流信號IBASE的關係表示如下：

Vcs＝(1+β)×IBASE×R (公式1)

其中，β代表功率電晶體(例如，功率電晶體107)的靜態電流放大系 數，R代表感測電阻的電阻值。

根據一個實施例，在t0處，PWM信號從邏輯低電平改變到邏輯高電平，作為響應，基極驅動電流信號IBASE突變為固定時間寬度的脈衝驅動電流Ipusle，例如，Ipusle的高電平持續時間可以為t0～t1。由於PWM導通時間PWN_ON(例如，t0～t3期間)比固定導通時間TON_TH(例如，t0～t4期間)短，將VCS按K1比例轉換成ICS。例如，電流信號ICS被配置為按如下的公式確定：

ICS＝VCS×K1 (公式2)

其中，VCS代表對開關電源系統進行採樣的採樣電阻(例如，採樣電阻108)所獲得的採樣電壓，K1為PWN_ON短於TON_TH時VCS與ICS的轉換比例，K1為相對較大的比例以確保使得功率電晶體進入飽和狀態的足夠ICS，從而降低導通損耗。如圖3所示，根據公式1-公式2，在t1～t2時間段期間，至少部分地基於電流信號ICS的基極驅動電流信號IBASE線性增加。

在一個實施例中，當預關斷信號PWM_PRE(例如，在t2處)從邏輯低電平改變到邏輯高電平，首先降低基極驅動電流信號IBASE(例如，如t2～t3時間段所示)，然後當PWM信號與預關斷信號PWM_PRE同時(例如，在t3處)從邏輯低電平改變到邏輯高電平，將基極驅動電流信號IBASE降低為關斷功率電晶體，這種對基極驅動電流信號IBASE的分級降低有利於減少關斷損耗。

圖4是示出了根據本公開的實施例的、示出基於導通時間控制驅動功率電晶體的方法中各信號與功率電晶體的基極電流的另一時序關係的簡化時序圖。該圖僅作為示例，其不應該不適當地限制權利要求的範圍。本領域的普通技術人員應該理解很多變化、替代和修改。如圖4所示，波形401代表固定導通時間TON_TH，波形402代表隨時間變化的PWM信號，波形403代表隨時間變化的PWM_PRE信號，並且波形404代表隨時間變化的基極驅動電流信號IBASE。

圖4示出了當系統輸入電壓VIN低時的信號時序。其中對於PWM信號相關聯的導通時間段和關斷時間段，導通時間段PWN_ON在時間t0處開始並且在時間t4處結束。例如，t0≤t1≤t2≤t3≤t4。類似於圖3，由採樣 電阻(例如，採樣電阻108)所採樣的電壓VCS與基極驅動電流信號IBASE的關係如公式1所示。

根據一個實施例，在t0處，PWM信號從邏輯低電平改變到邏輯高電平，作為響應，基極驅動電流信號IBASE突變為固定時間寬度的脈衝驅動電流Ipusle，例如，Ipusle的高電平持續時間可以為t0～t1。由於PWM導通時間PWN_ON(例如，t0～t4期間)遠長於固定導通時間TON_TH(例如，t0～t2期間)，使得VCS首先以較大的K1比例轉換，隨後再進一步以較小的K2比例轉換成ICS，這樣轉換產生的較小ICS能保證基極輸入電荷不過剩，減少功率電晶體的驅動損耗。電流信號ICS被配置為按如下的公式確定：

ICS』＝VCS×K1

ICS＝ICS』×K2 (公式3)其中，VCS代表對開關電源系統進行採樣的採樣電阻(例如，採樣電阻108)所獲得的採樣電壓，K1為PWN_ON短於TON_TH時VCS與ICS的轉換比例，K2為PWN_ON長於TON_TH時VCS與ICS的轉換比例，其中K2為相對較小的比例。根據公式1-公式2，在t1～t2時間段期間，至少部分地基於電流信號ICS的基極驅動電流信號IBASE線性增加。隨後在t2處(閾值信號TON_TH在該處從邏輯高電平改變到邏輯低電平)，中間信號ICS』突降預定大小，並隨即以基於K2的較小速率線性增長，如公式3所示。

在一個實施例中，當預關斷信號PWM_PRE(例如，在t3處)從邏輯低電平改變到邏輯高電平，首先降低基極驅動電流信號IBASE(例如，如t3～t4時間段所示)。然後當PWM信號與預關斷信號PWM_PRE同時(例如，在t4處)從邏輯低電平改變到邏輯高電平，將基極驅動電流信號IBASE降低為關斷功率電晶體，這種對基極驅動電流信號IBASE的分級降低有利於減少關斷損耗。

本發明可以以其他的具體形式實現，而不脫離其精神和本質特徵。例如，特定實施例中所描述的算法可以被修改，而系統體系結構並不脫離本發明的基本精神。因此，當前的實施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發明的範圍由所附權利要求而非上述描述定義，並且，落入權利要求的含義和等同物的範圍內的全部改變從而都被包括在本發明的 範圍之中。

本發明各個實施例中的一些或所有組件單獨地和/或與至少另一組件相組合地是利用一個或多個軟體組件、一個或多個硬體組件和/或軟體與硬體組件的一種或多種組合來實現的。在另一示例中，本發明各個實施例中的一些或所有組件單獨地和/或與至少另一組件相組合地在一個或多個電路中實現，例如在一個或多個模擬電路和/或一個或多個數字電路中實現。在又一示例中，本發明的各個實施例和/或示例可以相組合。

雖然已描述了本發明的具體實施例，然而本領域技術人員將明白，還存在於所述實施例等同的其它實施例。因此，將明白，本發明不受所示具體實施例的限制，而是僅由權利要求的範圍來限定。