用於P溝道MOSFET的驅動器的製作方法

2023-04-23 07:22:26 5

本發明涉及一種用於驅動P溝道MOSFET的驅動器電路，包括：用於接收DC電源(supply)電壓的電源輸入；用於接收用於控制P溝道MOSFET的開關的控制信號的控制輸入；以及用於連接P溝道MOSFET的柵極的驅動輸出，其中所述驅動器電路適合於依賴於在控制輸入處接收的控制信號來生成驅動信號，並且還適合於在驅動輸出處提供驅動信號。本發明進一步涉及用於驅動P溝道MOSFET的對應方法。
背景技術：
：電子可控開關，或簡稱「開關」，諸如電晶體、其變形和包括這些裝置中的一個或多個的電路，廣泛用於許多不同的應用中。重要的示例是開關功率供應(powersupply)，其中經常使用MOSFET(金屬氧化物半導體場效應電晶體)作為功率開關。存在兩種主要類型的MOSFET：P溝道MOSFET和N溝道MOSFET。兩種類型針對適當的功能需要不同的電壓控制信號。通常由控制器來提供用於控制這樣的MOSFET的開關的信號，並且使用驅動器電路(在下文中也簡短地被指定為「驅動器」)來將從控制器接收的控制信號轉換為用於適當地驅動MOSFET的驅動信號。這是必要的，因為由控制器提供的控制信號的特性，特別是提供的電壓電平，通常與所使用的特定類型MOSFET的要求不匹配。在P溝道MOSFET的情況下，驅動器必須施加負電壓到MOSFET的柵極-源極結以接通MOSFET，其中負電壓必須在特定MOSFET的閾值電壓以下。為了關斷MOSFET，必須將高於閾值電壓的電壓施加到MOSFET的柵極-源極結。如果P溝道MOSFET的閾值電壓例如為-3伏特，則施加-10伏特的電壓到所述MOSFET的柵極-源極結使其接通。然而施加例如-1伏特的電壓到所述MOSFET的柵極-源極結使其關斷。兩種眾所周知並廣泛使用的P溝道MOSFET驅動器是兩級柵極驅動器和AC耦合的柵極驅動器。如名稱已經暗示的那樣，兩級柵極驅動器包括兩個不同級用來提供驅動信號，因此它們具有高度複雜性。取決於特定的應用，它們還具有其它缺點諸如例如相對高的功率損耗和/或開關頻率限制。AC耦合的柵極驅動器已被提議來減少驅動器的複雜性。電源電壓在接通和關斷期間通過反相電容器被饋送給柵極，並且在導通狀態期間通過電阻器被饋送給柵極。限制包括例如頻率和佔空比限制(由於耦合電容器在關斷期間需要經由高阻抗路徑放電)、DC電流電阻器中的高功率損耗、以及對外部柵極-源極電容器的需要。這樣的驅動器電路被示出在繪圖中並且在以下進一步被描述。這樣的AC耦合的驅動器電路易於實現並且節省成本。然而，它們不可避免由於在關斷周期期間的電荷位移或電容性耦合而引起的直接在P溝道MOSFET的柵極與源極之間的電壓建立。主要的問題來自反相電容器構成在驅動器與P溝道MOSFET的柵極之間的高DC阻抗的事實。這種高DC阻抗是使DC電壓能夠建立在P溝道MOSFET的柵極中的要素。這樣的電壓建立可能導致MOSFET的不期望的接通，這又可以導致包括MOSFET的更高級別電路的故障或者甚至損壞。技術實現要素：因此，本發明的目標是創建一種用於驅動屬於最初提到的
技術領域：
的P溝道MOSFET的驅動器電路，其增強避免在P溝道MOSFET的柵極與源極之間的這樣的不期望的電壓建立。本發明的另外的目標是提供包括這樣的驅動器電路的驅動器設備、包括這樣的驅動器設備的可控開關設備、以及用於驅動P溝道MOSFET的對應方法。在下文中，有時使用更簡單的術語MOSFET而不是術語P溝道MOSFET。本發明的解決方案由權利要求1的特徵規定。一種用於驅動P溝道MOSFET的驅動器電路包括：電源輸入，用於接收DC電源電壓以提供必要的能量給驅動器電路的有源部分。驅動器電路進一步包括：用於接收控制信號的控制輸入，所述控制信號遞送用於控制所述P溝道MOSFET的開關的信息。這樣的控制信號通常由一系列的兩個不同電壓電平組成，其中這些電壓電平中的一個意味著MOSFET將被接通，並且另一個電壓電平意味著MOSFET將被關斷。並且驅動器電路包括：用於連接將被控制的P溝道MOSFET的柵極的驅動輸出。驅動器電路由此適合於依賴於在控制輸入處接收的控制信號來生成驅動信號，並且還適合於在驅動輸出處提供驅動信號。根據本發明，驅動器電路包括關斷雙極電晶體(在下文中也被指定為關斷電晶體或者簡單地，電晶體。關斷電晶體具有基極、集電極和發射極，其中基極經由反相電容器被連接到驅動器電路的控制輸入，所述反相電容器是必要的以提供電壓反相。反相電容器進一步提供DC去耦合，使得可以生成對於適當地驅動P溝道MOSFET所需要的正確反相電壓電平。集電極被直接連接到電源輸入的端子，並且發射極被連接到驅動輸出。為了關斷MOSFET，關斷電晶體有源地(actively)生成關斷信號，並將其提供給驅動輸出。以這種方式，驅動輸出僅僅與驅動器電路的輸入AC耦合。當使用根據現有技術的驅動器電路時，在截止周期(off-period)期間，不同於0伏特的恆定電壓可以橫跨P溝道MOSFET的柵極-源極端子保持或者建立。這可以發生，因為DC耦合電阻器具有太高電阻，其阻止驅動器的放電。該電壓的特定電平取決於待驅動的MOSFET以及更高級別電路的不同參數，並且還取決於其它因素。如果剩餘電壓的電平位於MOSFET的閾值電壓之內或附近，則MOSFET的不期望的接通的風險變得更高。現在，如果使用布置在根據本發明的驅動器電路中的雙極電晶體，則消除這樣的恆定電壓。關斷雙極電晶體有源地對在柵極與源極之間的任何電壓建立鉗位(clamp)，其可能接通MOSFET。其在接通期間充當高阻抗DC耦合併在關斷時充當低阻抗DC耦合。在根據本發明的一個示例中，npn雙極電晶體的發射極被連接到待控制的MOSFET的柵極，並且其集電極被連接到電源電壓，其基極經由反相電容器被連接到控制輸入，並且二極體(優選地，肖特基二極體)被布置基極與發射極之間使得二極體的負極被連接到基極。如果MOSFET被接通，則高的負電平電壓將存在其柵極處，因此高的負電平電壓被提供給關斷雙極電晶體的基極。二極體被偏置，並且柵極中的電壓變負並且該雙極電晶體被反向偏置並保持截止。如果MOSFET應被關斷，則低負電平電壓應被提供到MOSFET的柵極。在這種情況下，關斷電晶體的基極被有源地帶到低的負電平，諸如例如地電平電壓，因此基極-發射極電流迅速增加電晶體的偏壓。二極體被反向偏置並且保持阻塞停止。發射極電壓以及隨其MOSFET柵極電壓也被有源地帶到地電平並且MOSFET被關斷。如果電壓未達到關斷電平，或者發射極電壓低於雙極電晶體的正向偏置電壓，則其將保持傳導電流直到達到該電平。或者換句話說，在關斷周期期間，不存在P溝道MOSFET的柵極與源極之間的電壓建立，既不由於電荷位移也不由於電容性耦合或其它原因。根據本發明的驅動器電路因此可避免這樣的電壓建立，並且在截止周期期間MOSFET的不期望的接通的風險、以及於是更高級別電路的故障或者甚至損壞的風險被顯著地減少。當關斷電晶體被接通時，電流從其集電極流動到其發射極。由於只有該集電極-發射極電流中的小部分流動到MOSFET的柵極中，因此必須為該電流提供從發射極回到電源輸入的電流路徑。為這樣做，發射極例如可以有利地經由電阻器被連接到地。在本發明的優選實施例中，二極體在傳導方向上被從關斷電晶體的發射極連接到基極。因此，它的負極被連接到發射極並且它的正極被連接到關斷電晶體的基極。該二極體也使能夠對MOSFET的柵極-源極電容放電並且阻止從電晶體的基極到發射極的電流流動。一般地，每個pnp雙極電晶體可以用作關斷雙極電晶體。但由於在MOSFET的柵極處的電壓降是用於MOSFET阻止漏極源極電流的關鍵條件，因此該電壓降應該儘可能快速地執行。因此，在本發明的優選實施例中，快速開關雙極電晶體被用作關斷雙極電晶體。雙極電晶體的開關速度，即其時間常數不僅取決於該電晶體所嵌入的電路元件，諸如例如在電晶體的基極處的輸入電阻器，還取決於電晶體其本身的特性，諸如例如它的輸入容量和它的輸入電阻。關斷電晶體的發射極可以被直接連接到MOSFET的柵極。這將工作，如果只有小電流正流動到P溝道MOSFET的柵極中或者從其流動出的話。然而，如果電流變得更高，則MOSFET其本身或連接到它的其他電路的損壞的風險增加。流動到MOSFET的柵極中或者從其流動出的電流有利地通過任何合適的器件(諸如例如，熱敏電阻器、恆流二極體等)來限制。用來限制電流的最簡單以及因此優選的方式是電阻器。因此，關斷電晶體的發射極經由限流電阻器被連接到驅動輸出，即被連接到MOSFET的柵極。該電阻器限制流動到P溝道MOSFET的柵極中或者從其流動出的電流，由此高效地保護電路。該限流電阻器還可以影響電路的其它參數，諸如例如MOSFET其本身的開關速度、以及於是電路EMC特性。代替限流電阻器或者除了限流電阻器之外，其他元件像例如電阻器、電容和/或感應性物(inductivity)可以被連接在MOSFET的柵極與電晶體的發射極之間。例如，電容可以被與限流電阻器串聯或並聯連接。取決於從控制器接收的控制信號的特性，特別是其電壓電平，該控制信號可以直接用於被連接到關斷電晶體的基極以生成在驅動輸出處提供的控制信號。然而，從控制器接收到的控制信號的特性通常與關於必須被提供在驅動輸出處以驅動MOSFET的信號的要求不匹配。例如，來自控制器的控制信號的電壓電平可以太低或太高。或者提供的電流電平高於或低於所要求的。控制器經常遞送具有邏輯電路的電壓和/或電流電平的控制信號，所述電壓和/或電流電平通常太低而無法直接使用其作為驅動信號。在本發明的優選實施例中，放大器，特別是電流放大器因此被連接到驅動電路的控制輸入用於放大從控制器接收的控制信號，並提供經放大的控制信號給經由反相電容器被連接到電流放大器的輸出的關斷電晶體的基極。不同類型的電流放大器對於技術人員是已知的，並且可以用於放大控制信號。在本發明的優選實施例中，放大器包括：用其集電極連接到電源輸入的電源端子(高電平)的npn雙極電晶體；以及用其發射極連接到npn雙極電晶體的發射極並且用其集電極連接到電源輸入的地端子(低電平)的pnp雙極電晶體。兩個雙極電晶體的基極端子經由電阻器被連接到控制輸入，並且電流放大器的輸出被提供在雙極電晶體的公共發射極端子處。以這種方式，被施加到控制輸入的控制信號在放大器輸出處再現，並且可以被用於生成待提供給MOSFET的柵極的控制信號。再現的控制信號因此具有規定的特性，其可以通過電路參數(諸如，被連接在控制輸入與放大器之間的電阻器的大小、電源電壓的電平)和/或通過形成放大器的雙極電晶體的特定選擇來調整或設置。在現有技術的AC耦合的驅動電路中，直接在P溝道MOSFET的柵極處提供DC耦合。然而，在本發明的優選實施例中，在雙極電晶體的基極處完成DC耦合。優選地，通過將DC耦合電阻器連接在關斷雙極電晶體的基極與電源輸入的更低端子之間，其中更低端子通常被連接到地。由於雙極電晶體的DC增益，DC耦合電阻器可以具有更高的電阻，其減少驅動器電路的損耗。在本發明的另一個優選實施例中，電阻器和二極體的串聯電路被並聯連接到DC耦合電阻器。二極體的負極被連接到電源輸入的負端子並且電阻器被連接在雙極電晶體的基極與二極體的正極之間。由此，該串聯電路的電阻器的電阻值是DC耦合電阻器的電阻的至多1/10倍。優選地，該串聯電路電阻器應該製得儘可能小，諸如例如是DC耦合電阻器的至多1/100倍或者甚至至多1/1000倍。在這種方式中，DC耦合電阻器阻止或者至少強烈地減少在兩個方向上在反相電容器與地之間的電流流動，而串聯電路使從反相電容器到地的電流流動能夠諸如例如對反相電容器或者MOSFET的柵極-源極電容器放電，但阻止在另一個方向上的電流流動。本發明關於驅動器設備的解決方案由權利要求10的特徵規定。根據本發明的驅動器設備包括如以上所描述的驅動器電路和用於將DC電源電壓提供給驅動器電路的電源輸入的電源電路。電源電路包括用於連接電壓源的兩個電源端子。電阻器被串聯連接到電源端子中的一個，並且電容器被連接在電阻器與另一個電源端子之間，其中DC電源電壓橫跨電容器被提供。通常，電阻器被連接到電壓源的正電源端子。然而，其也可以被連接到電壓源的負電源端子，所述負電源端子優選地具有地電平。本發明關於可控開關設備的解決方案由權利要求11的特徵規定。根據本發明的可控開關設備包括如以上所描述的驅動器設備和P溝道MOSFET，其中所述驅動器電路的驅動輸出被連接到P溝道MOSFET的柵極。優選地，P溝道MOSFET的源極被連接到地。本發明關於用於驅動P溝道MOSFET的方法的解決方案由權利要求12的特徵規定。該方法包括以下步驟：接收用於控制P溝道MOSFET的開關的控制信號並且依賴於控制信號來生成用於驅動MOSFET的驅動信號，其中將所述驅動信號提供給P溝道MOSFET的柵極。根據本發明，藉助於關斷雙極電晶體有源地生成關斷信號，即用於關斷P溝道MOSFET的驅動信號，其中將關斷信號提供給P溝道MOSFET的柵極。其他有利實施例和特徵組合從以下詳細描述和權利要求的總體顯現。附圖說明用於解釋實施例的繪圖示出：圖1P溝道MOSFET、和根據現有技術的用於驅動P溝道MOSFET的驅動器電路、以及用於給驅動器電路供應功率的電源電路的示意描繪；圖2在圖1中示出的電路的更詳細示意描繪；圖3根據本發明的用於驅動P溝道MOSFET的驅動器電路的示意描繪；圖4根據本發明的用於驅動P溝道MOSFET的驅動器電路的更詳細的第一實施例；以及圖5根據本發明的用於驅動P溝道MOSFET的驅動器電路的更詳細的第二實施例。在圖中，相同組件被給予相同參考符號。具體實施方式圖1示出用於驅動P溝道MOSFET2的現有技術驅動器電路1的示意描繪。驅動器電路1包括電源輸入3、控制輸入4、和驅動輸出5。功率供應6提供功率給功率輸入3並且在控制輸入4處接收用來控制P溝道MOSFET2的開關的控制信號。基於在控制輸入4處接收的控制信號，驅動電路1產生用於驅動P溝道MOSFET2的驅動信號。在驅動輸出5處提供驅動信號，所述驅動輸出5被連接到P溝道MOSFET2的控制端子。圖2示出在圖1中示出的驅動器電路1、P溝道MOSFET2和功率供應6的更詳細的示意描繪。功率供應6包括功率源，通常是DC功率源V1。電阻器R3被串聯連接到功率源V1並且電容器C1橫跨功率源V1和電阻器R3的串聯電路被連接。電源電壓橫跨電容器C1被提供，並且被饋送到驅動器電路1的功率輸入3。控制信號被示出為被連接到控制輸入4的電壓源V2。電壓源V2被示出為提供信號，所述信號為表示控制信號的一系列交替低和高電平。驅動電路1的驅動輸出5被連接到P溝道MOSFETQ4的柵極。驅動器電路1是如在本領域中已知的AC耦合的柵極驅動器。控制輸入被饋送到電流放大器7。電流放大器7包括在其輸入處的電阻器R4和被串聯連接的兩個雙極電晶體Q1，Q2。雙極電晶體Q2是npn雙極電晶體，其集電極被連接到功率輸入3。雙極電晶體Q2的發射極被連接到另一個雙極電晶體Q1的發射極，所述另一個雙極電晶體Q1是pnp雙極電晶體。雙極電晶體Q1的集電極被連接到地。控制輸入經由電阻器R4被連接到兩個雙極電晶體Q1，Q2的基極，並且兩個雙極電晶體Q1、Q2的公共發射極端子形成放大器輸出。放大器輸出經由耦合或反相電容器C2並且進一步經由限流電阻器R5而被連接到P溝道MOSFET的柵極。另外的電阻器R1(特別是DC耦合電阻器)和二極體D2(特別是肖特基二極體)被並聯連接在反相電容器C2和限流電阻器R5的公共端子與地之間，使得二極體D2的負極被連接到地。因此，在關斷期間，電源電壓從反相電容器C2和電阻器R5被饋送到柵極。在關斷期間，電容器C2經由限流電阻器R5放電，導致高功率損耗以及關於這種驅動器電路的頻率和佔空比的某些限制。進一步地，在關斷期間，由於電荷位移或電容性耦合，可以在P溝道MOSFET的柵極與源極之間建立電壓。這樣的電壓建立可能導致MOSFET的不期望的接通，這又可以導致包括MOSFET的更高級別電路的故障或甚至損害。圖3示出根據本發明的驅動器電路11的示意描繪。該驅動器電路11的結構類似於在圖1和2中示出的驅動器電路。驅動器電路11由可連接到功率輸入3的功率供應供電，並且控制信號被饋送到控制輸入4。控制信號由電流放大器17放大，其輸出被饋送到耦合電容器18。由驅動電路11產生的驅動信號經由限流電阻19被饋送到驅動輸出5，其然後被連接到P溝道MOSFET的柵極。與在圖1和2中示出的驅動器電路相反，驅動器電路11進一步包括雙極電晶體20。因此，經放大的控制信號不被用於直接生成驅動信號，而是被饋送到雙極電晶體20的基極，其然後提供待經由限流電阻器19饋送到驅動輸出5的驅動信號。圖4示出根據本發明的驅動器電路的第一實施例的更詳細描繪。電流放大器17和在圖2中示出的電流放大器是等同的。它包括兩個被串聯連接的雙極電晶體Q1、Q2，其中控制輸入被連接到兩個電晶體Q1，Q2的基極，並且其中公共發射極端子形成放大器輸出。放大器輸出經由耦合電容器C2被饋送到npn雙極電晶體Q3的基極，其中npn雙極電晶體Q3的集電極被連接到功率輸入3的正電壓軌，其向驅動器電路21供電，並且npn雙極電晶體Q3的發射極經由限流電阻器R5被連接驅動輸出5。進一步地，二極體D1，優選地肖特基二極體，在電流傳導方向上將npn雙極電晶體Q3的發射極連接到npn雙極電晶體Q3的基極。並且為了稍微限制從電容器C2流動到地的電流，電阻器R2被串聯連接到二極體D2的正極。電阻器R2的電阻比電阻器R1的電阻小得多。在下文中，給出可以用於實現該第一實施例的針對在圖4中示出的元件的示例性值，以及元件的示例性類型：R110k歐姆R21歐姆R310歐姆R422.1歐姆R53.32歐姆C1470n法拉C2220n法拉D1、D2肖特基二極體SL04Q1、Q3npn雙極電晶體FMMT618Q2pnp雙極電晶體FMMT718V112伏特DC在該實施例中，通過快速開關雙極電晶體Q3完成關斷過渡。DC耦合電阻器R1被放置在基極npn雙極電晶體Q3與地之間，這也意味著DC耦合電阻器R1被放置在基極npn雙極電晶體Q3與P溝道MOSFETQ4的源極之間。因此，可以使其更高，這減少功率損耗。該電路造成更短的關斷過渡，這進一步減少損耗並且還避免可能由緩慢驅動器電路引起的不期望的突發模式(burst-mode)影響。進一步地，藉助於在耦合電容器C2之後的電阻器R1的DC耦合不在P溝道MOSFETQ4的柵極中完成，而是在npn雙極電晶體Q3的基極中完成。npn雙極電晶體Q3的DC增益由此允許用更高電阻的DC耦合電阻器R1建立相同DC耦合，這如已經提到的那樣減少損耗。此外，當施加與以上關於根據現有技術的驅動器電路1的第一實施例提到的相同的值時，已發現在截止周期期間，大約-1V的恆定負電壓橫跨P溝道MOSFET的柵極-源極端子保持。這個恆定負電壓不位於接通MOSFET所需要的P溝道MOSFET的柵極-源極電壓的閾值窗口的範圍之內，而是在其附近的值。對於所使用的P溝道MOSFET，閾值窗口在-2伏特與-4伏特之間。取決於電路參數和所使用的P溝道MOSFET，該電壓也可以更高或更低。對於替選的P溝道MOSFET並且在12伏特的電源電壓下，在截止周期期間已測量出大約-3.6伏特的恆定負電壓。而且，該電壓在P溝道MOSFET的閾值窗口的範圍之內。仿真和測量結果已示出，在以上提到的值下，在根據本發明的驅動器電路21中，在截止周期期間橫跨P溝道MOSFET的柵極-源極端子的恆定負電壓被消除。這確保，與功率供應和電路參數無關，P溝道MOSFET始終適當地操作。圖5示出根據本發明的驅動器電路31的第二實施例。該第二實施例幾乎與在圖4中示出的第一實施例等同。僅有的差異是附加雙極電晶體Q3被連接到電源電壓的方式。在該實施例中，npn雙極電晶體Q3的集電極被連接到待驅動的P溝道MOSFET的源極，這在該示例中意味著npn雙極電晶體Q3的集電極被連接到地。以上提到的值也可以用於實現該第二實施例，並且關於第一實施例提到的特性和優點也適用於該第二實施例。可以提供另外的電阻器以進一步減少損耗或者限制耦合或反相電容器和/或P溝道MOSFET的柵極-源極電容的充電和或放電電流。例如，附加的電阻器可以橫跨P溝道MOSFET的柵極-源極端子被布置。總之，要指出的是，根據本發明的驅動器電路允許有效地驅動P溝道MOSFET，由此不僅減少功率損耗而且增強驅動器的性能。根據本發明的驅動器電路特別地發現應用，用來驅動其中P溝道MOSFET與N溝道MOSFET互補地工作的功率供應拓撲中的P溝道MOSFET。然而，其可以應用於其中P溝道MOSFET必須被驅動的任何其它電路。參考符號列表1，11，21，31驅動器電路2P溝道MOSFET3功率輸入4控制輸入5驅動輸出6功率供應7，17放大器18電容器19電阻器20雙極電晶體V1DC功率源R1，R2，R3，R4，R5電阻器C1，C2，18電容器D1，D2二極體V2電壓源Q4P溝道MOSFETQ1，Q2，Q3雙極電晶體當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp