CN102006052A - 功率三极管驱动电路和驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种功率三极管驱动电路，包括：串联的恒流源驱动模块和关闭模块，功率三极管的基极连接在所述恒流源驱动模块和关闭模块之间；且在所述恒流源驱动模块中有恒流源，以在开启所述功率三极管时为所述功率三极管的基极提供恒定的基极电流，所述关闭模块接地，以在关闭所述功率三极管时将所述功率三极管的基极短路。通过本发明提出的新型功率三极管驱动电路，无需增加任何***元器件就可直接驱动功率三极管，节省了成本，提高了功率三极管的应用范围。

Description

功率三极管驱动电路和驱动方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种功率三极管驱动电路和驱动方法。

背景技术

目前的电源转换器大致可划分为线形变换器和开关变换器两种。与线性变换器相比，开关变换器以其高效率、小体积、较轻的重量等优势目前占据绝对的主导地位。而作为开关变换器核心部分之一的开关管通常会选用功率晶体管。功率晶体管大致可分为场效应晶体管、双极型晶体管以及绝缘栅极晶体管。在小功率电源转换器领域，由于双极型晶体管良好的开关特性和低廉的价格等优势，也被广泛的使用。

如图1所示，为传统开关电源适配器解决方案的电路图。在现有传统方案中，一般采用功率MOSFET作为主边的开关控制器件。相对于功率三极管而言，功率MOSFET具有较快的开关速度和较低的导通损耗。但是，较快的开关速度会导致较大的开关噪声，同时在小功率应用领域，功率三极管相对低廉的价格亦使其极具诱惑力。与传统功率MOSFET开关的电压型驱动不同的是，功率三极管需要电流型的驱动方式以提供足够的基极电流用以放大。因此，在传统方案中，一般会对传统的推挽驱动器做相应的优化以适应功率三极管的驱动需要。

以下对功率三极管的驱动过程进行简单介绍。如图2所示，为传统的功率三极管驱动电路示意图。如图2所示，如果要使用传统的推挽驱动器用以驱动功率三极管Q1，则需增加一些***元器件以保证功率三极管Q1正常开关动作。其中，功率三极管Q1的基极与R1相连，功率三极管Q1的集电极与HVDC(高压直流输电)相连，功率三极管Q1的发射极通过电阻接地，R1可在功率三极管开通期间提供合适的基极电流以保证功率三极管Q1工作在饱和区。同时，为了保证功率三极管Q1能够迅速关闭，二极管D1(一般采用肖特基二极管)和电容C1用于快速抽取开通期间储存在功率三极管Q1基区的少数载流子。

现有技术存在的缺点是，由于现有技术中增加了一些器件如电容C1和二极管D1等，因此不可避免的带来了成本上的增加，削弱了功率三极管的成本优势，给功率三极管在电源转换方面的应用带来了困难。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决现有技术中功率三极管驱动电路成本高的问题。

为达到上述目的，本发明一方面提出一种功率三极管驱动电路，包括：串联的恒流源驱动模块和关闭模块，功率三极管的基极连接在所述恒流源驱动模块和关闭模块之间；且在所述恒流源驱动模块中有恒流源，以在开启所述功率三极管时为所述功率三极管的基极提供恒定的基极电流，所述关闭模块接地，以在关闭所述功率三极管时将所述功率三极管的基极短路。

本发明另一方面还提出一种驱动方法，功率三极管驱动电路包括串联的恒流源驱动模块和关闭模块，所述功率三极管的基极连接在所述恒流源驱动模块和关闭模块之间，所述方法包括以下步骤：在开启所述功率三极管时，开启所述恒流源驱动模块并关闭所述关闭模块，以使所述恒流源驱动模块中的恒流源为功率三极管的基极提供恒定的基极电流；在关闭所述功率三极管时，关闭所述恒流源驱动模块并开启所述关闭模块，以通过所述关闭模块将所述功率三极管的基极短路。

通过本发明提出的新型功率三极管驱动电路，无需增加任何***元器件就可直接驱动功率三极管，节省了成本，提高了功率三极管的应用范围。并且本发明在提升功率三极管的开关速度的同时也降低了开关损耗。另外本发明独特的恒流源驱动模块以及关闭模块可利用功率三极管的最高耐压特性以保证功率三极管在开关期间的安全。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为传统开关电源适配器解决方案的电路图；

图2为传统的功率三极管驱动电路示意图；

图3为本发明实施例一的功率三极管驱动电路的示意图；

图4为本发明实施例二的功率三极管驱动电路示意图；

图5为本发明实施例三的功率三极管驱动电路示意图；

图6为本发明实施例四的功率三极管驱动电路示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明主要在于，根据功率三极管的开关特性及其所需的驱动电路特点，结合CMOS高压工艺特点，采用恒流开通配合大电流关闭电路，用以提升功率三极管的开关速度同时降低驱动电路的成本。具体地，在开启功率三极管时，由恒流源驱动模块中的恒流源为功率三极管提供恒定的基极电流，以保证功率三极管在开通期间迅速进入饱和区，用以最大限度的降低开通损耗；并且本发明在关闭功率三极管时，使功率三极管基极与发射极之间接近短路(电阻R2通常取值很小)，可以保证功率三极管开通期间存储在基区的少数载流子迅速复合以减小功率三极管的存储时间和关闭时间，用以降低功率三极管的关断损耗。

如图3所示，为本发明实施例一的功率三极管驱动电路的示意图，为了清楚的目的，在该示意图中也示出了功率三极管，及功率三极管发射极和集电极的连接，但需要说明的是功率三极管是不在本发明提出的驱动电路内的，其发射极和集电极的连接方式也是可以变化的，这些变化均应包含在本发明的保护范围之内。如图3所示，功率三极管Q1的集电极与HVDC(高压直流输电)相连，功率三极管Q1的发射极通过电阻R2接地。该功率三极管Q1的驱动电路包括串联的恒流源驱动模块和关闭模块，功率三极管Q1的基极连接在恒流源驱动模块和关闭模块之间，且在恒流源驱动模块中有恒流源，以在开启功率三极管Q1时为功率三极管Q1的基极提供恒定的基极电流，从而使得功率三极管Q1在开通期间迅速地进入饱和区，用以最大限度的降低开通损耗，提高开关速度。而关闭模块接地，以在关闭功率三极管Q1时将功率三极管的基极短路，通过使功率三极管Q1的基极和发射极之间接近短路(电阻R2通常取值很小)，可以保证功率三极管Q1开通期间存储在功率三极管Q1基区的少数载流子迅速复合以减小功率三极管Q1的存储时间和关闭时间，用以降低功率三极管Q1的关断损耗。

驱动该功率三极管Q1的方法是，在开启功率三极管Q1时，开启恒流源驱动模块并将关闭模块关闭，以使恒流源驱动模块中的恒流源为功率三极管Q1的基极提供恒定的基极电流。在关闭功率三极管Q1时，关闭恒流源驱动模块并开启关闭模块，以通过关闭模块将功率三极管Q1的基极短路。

需要说明的是，上述实施例为本发明的基本原理图，其中的恒流源驱动模块和关闭模块可通过多种电路方式实现，为了对本发明有更清楚的理解，以下就将采用具体实施例的方式对恒流源驱动模块和关闭模块进行说明，但这些实施例仅是实现恒流源驱动模块和关闭模块的一种或几种方式，本领域技术人员能够根据本发明的思想在以下实施例的基础上做出等同的修改或变化，这些等同的修改或变化均应包含在本发明的保护范围之内。

如图4所示，为本发明实施例二的功率三极管驱动电路示意图。在该实施例中，恒流源驱动模块包括串联的第一恒流源I1和第一开关S1，关闭模块包括第二开关S2，第一开关S1和第二开关S2串联，功率三极管Q1的基极连接在第一开关S1和第二开关S2之间，且第二开关S2接地。在开启功率三极管Q1时，第一开关S1闭合同时第二开关S2断开，由恒流源电路I1为其提供恒定的基极电流，以保证功率三极管Q1在开通期间迅速进入饱和区，用以最大限度的降低开通损耗。在关闭功率三极管Q1时，第二开关S2闭合同时第一开关S1断开，此时功率三极管Q1基极与发射极之间接近短路(电阻R2通常取值很小)，可以保证功率三极管Q1开通期间存储在基区的少数载流子迅速复合以减小功率三极管Q1的存储时间和关闭时间，用以降低功率三极管Q1的关断损耗。另一方面，功率三极管Q1的耐压与关闭期间基极与发射极间的电阻有关，通常而言，功率三极管Q1基极与发射极之间的阻抗越小，功率三极管Q1集电极与发射极之间的耐压也就越高。有如下关系式：V(CEO)＜V(CER)＜V(CES)≈V(CBO)。其中，V(CEO)为当功率三极管Q1基极悬空时，功率三极管Q1集电极与发射极之间的反向击穿电压；V(CER)为当功率三极管Q1基极与发射极之间电阻为R时，功率三极管Q1集电极与发射极之间的反向击穿电压；V(CES)为当功率三极管Q1基极与发射极短接时，功率三极管Q1集电极与发射极之间的反向击穿电压；V(CBO)为当功率三极管Q1发射极悬空时，功率三极管Q1集电极与基极之间的反向击穿电压。

在开关电源的实际应用中，最大程度的使用三极管最高的V(CBO)耐压值可以在提高安全性的前提下大大降低成本。因此，减小关闭期间功率三极管Q1基极与发射极之间的电阻可大大提升功率三极管Q1的耐压值以保证开关期间的安全。

如图5所示，为本发明实施例三的功率三极管驱动电路示意图。在开关电源应用中，开关电源控制芯片通常采用CMOS工艺实现，由于芯片需要在较宽的电压范围内正常工作(通常为6V～30V)，因此需要采用高压CMOS工艺实现。在高压CMOS工艺中，为了提高器件的耐压值，通常需要增大MOSFET的尺寸并且对漏端或源漏两端同时进行浅掺杂，这样势必会导致器件的内阻增大。因此为了解决该问题，本发明提出了实施例三，如图5所示，恒流源驱动模块包括由第一PMOS管M1和第二PMOS管M2组成的第一电流镜，以及控制该第一电流镜的第三开关S3和为第一电流镜供电的第二恒流源I2，关闭模块包括第一NMOS管M3。当开启功率三极管Q1时，打开第三开关S3并关闭第一NMOS管M3，第二恒流源I2通过第一PMOS管M1和第二PMOS管M2组成的第一电流镜被镜像放大输出为功率三极管Q1提供基极电流。同时，当关闭功率三极管Q1时，关闭第三开关S3并开启第一NMOS管M3，使得第一NMOS管M3导通保证功率三极管Q1基极与发射极间的低阻抗。

但是，在该实施例中由于第二PMOS管M2为PMOS，因此在其导通期间，如果功率三极管Q1未接入就已损坏或者是在芯片测试时，输出(OUT)端电压将达到电源电压，此时第一NMOS管M3必须具备一定的耐高压能力才能保证不会损坏。如前面所述，如果第一NMOS管M3采用高压管，则为达到较小的内阻，需要使用很大的芯片面积(通常为同样内阻低压器件的20～30倍)。

为了克服上述实施例三的缺点，本发明还提出了优选的实施例四，如图6所示，为本发明实施例四的功率三极管驱动电路示意图。

在该实施例中，恒流源驱动模块包括由第二NMOS管M1和第三NMOS管M2组成的第二电流镜，控制第二电流镜的第四NMOS管M4和为第二电流镜供电的第三恒流源I3，关闭模块包括第五NMOS管M3，其中，第四NMOS管M4和第五NMOS管M3的栅极由控制单元控制，控制单元分别与恒流源驱动模块和关闭模块相连，该控制单元控制恒流源驱动模块和关闭模块的开启和关闭。从上可以看出，本实施例将图5中的M1、M2由PMOS管改为NMOS管，第三NMOS管M2以源端跟随器形式连接。在开启功率三极管Q1时，控制单元关闭第四NMOS管M4和第五NMOS管M3，这样就使得第二NMOS管M1和第三NMOS管M2开启，从而通过第三NMOS管M2管为功率三极管Q1提供恒定的电流输出。在关闭功率三极管Q1时，控制单元先开启第四NMOS管M4，将M1、M2管的栅极电压拉低至地电位，用以关闭恒流源，并在超过预定的时间之后开启第五NMOS管M3，从而关闭功率三极管Q1。在本实施例中，由于此时第五NMOS管M3采用低压工艺实现，因此可以很轻易的在较小的面积下实现很低的导通内阻以满足设计要求。优选地，在该实施例中还包括连接在第二NMOS管M1和地之间的箝位电压源V1，通过设置电压源V1的电压值可以确保输出端子OUT的电压不会超过电压V1同时用以确定输出电流，用以保证第五NMOS管M3采用低压MOSFET时亦处于安全状态。优选地，还包括连接在控制单元和第五NMOS管的栅极之间的死区时间控制模块，该死区时间控制模块具有可预设的延迟时间，死区时间控制模块在超过预定的延迟时间后将控制信号发送到第五NMOS管M3的栅极，开启第五NMOS管M3。

通过本发明提出的新型功率三极管驱动电路，无需增加任何***元器件就可直接驱动功率三极管，节省了成本，提高了功率三极管的应用范围。并且本发明在提升功率三极管的开关速度的同时也降低了开关损耗。另外本发明独特的恒流源驱动模块以及关闭模块可利用功率三极管的最高耐压特性以保证功率三极管在开关期间的安全。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (13)

1.一种功率三极管驱动电路，其特征在于，包括：

串联的恒流源驱动模块和关闭模块，功率三极管的基极连接在所述恒流源驱动模块和关闭模块之间；且在所述恒流源驱动模块中有恒流源，以在开启所述功率三极管时为所述功率三极管的基极提供恒定的基极电流，所述关闭模块接地，以在关闭所述功率三极管时将所述功率三极管的基极短路。

2.如权利要求1所述的功率三极管驱动电路，其特征在于，所述恒流源驱动模块包括串联的第一恒流源和第一开关，所述关闭模块包括第二开关，所述第一开关和所述第二开关串联，所述功率三极管的基极连接在所述第一开关和所述第二开关之间，且所述第二开关接地。

3.如权利要求1所述的功率三极管驱动电路，其特征在于，所述恒流源驱动模块包括由第一PMOS管和第二PMOS管组成的第一电流镜，控制所述第一电流镜的第三开关和为所述第一电流镜供电的第二恒流源；所述关闭模块包括连接在所述功率三极管基极和地之间的第一NMOS管。

4.如权利要求1所述的功率三极管驱动电路，其特征在于，还包括分别与所述恒流源驱动模块和所述关闭模块相连的所述控制单元，所述控制单元控制所述恒流源驱动模块和所述关闭模块的开启和关闭。

5.如权利要求4所述的功率三极管驱动电路，其特征在于，所述恒流源驱动模块包括由第二NMOS管和第三NMOS管组成的第二电流镜，控制所述第二电流镜的第四NMOS管和为所述第二电流镜供电的第三恒流源；所述关闭模块包括第五NMOS管；其中，所述第四NMOS管和第五NMOS管的栅极由控制单元控制。

6.如权利要求5所述的功率三极管驱动电路，其特征在于，还包括连接在所述第二NMOS管和地之间的箝位电压源，用于箝位所述功率三极管的基极，使所述基极不超过所述箝位电压源的电压。

7.如权利要求5所述的功率三极管驱动电路，其特征在于，还包括连接在所述控制单元和所述第五NMOS管的栅极之间的死区时间控制模块，所述死区时间控制模块具有可预设的延迟时间，所述死区时间控制模块在超过所述延迟时间后，将从所述控制单元接收的控制信号发送到所述第五NMOS管的栅极。

8.一种驱动方法，其特征在于，功率三极管驱动电路包括串联的恒流源驱动模块和关闭模块，所述功率三极管的基极连接在所述恒流源驱动模块和关闭模块之间，所述方法包括以下步骤：

在开启所述功率三极管时，开启所述恒流源驱动模块并关闭所述关闭模块，以使所述恒流源驱动模块中的恒流源为功率三极管的基极提供恒定的基极电流；

在关闭所述功率三极管时，关闭所述恒流源驱动模块并开启所述关闭模块，以通过所述关闭模块将所述功率三极管的基极短路。

9.如权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，所述恒流源驱动模块包括串联的第一恒流源和第一开关，所述关闭模块包括第二开关，所述第一开关和所述第二开关串联，所述功率三极管的基极连接在所述第一开关和所述第二开关之间，且所述第二开关接地，在开启所述功率三极管时，开启所述第一开关并关闭所述第二开关；在关闭所述功率三极管时，关闭所述第一开关并开启所述第二开关。

10.如权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，所述恒流源驱动模块包括由第一PMOS管和第二PMOS管组成的第一电流镜，控制所述第一电流镜的第三开关和为所述第一电流镜供电的第二恒流源，所述关闭模块包括连接在所述功率三极管基极和地之间的第一NMOS管，在开启所述功率三极管时，所述控制单元关闭所述第四NMOS管和所述第五NMOS管；在关闭所述功率三极管时，所述控制单元首先开启所述第四NMOS管，并在超过预定时间后开启所述第五NMOS管。

11.如权利要求8所述的驱动方法，其特征在于，还包括分别与所述恒流源驱动模块和所述关闭模块相连的所述控制单元，所述控制单元控制所述恒流源驱动模块和所述关闭模块的开启和关闭，其中，所述恒流源驱动模块包括由第二NMOS管和第三NMOS管组成的第二电流镜，控制所述第二电流镜的第四NMOS管和为所述第二电流镜供电的第三恒流源，所述关闭模块包括第五NMOS管，其中，所述第四NMOS管和第五NMOS管的栅极由控制单元控制。

12.如权利要求11所述的驱动方法，其特征在于，所述功率三极管驱动电路还包括连接在所述第二NMOS管和地之间的箝位电压源，用于箝位所述功率三极管的基极，使所述基极不超过所述箝位电压源的电压。

13.如权利要求11所述的驱动方法，其特征在于，所述功率三极管驱动电路还包括连接在所述控制单元和所述第五NMOS管的栅极之间的死区时间控制模块，所述死区时间控制模块具有可预设的延迟时间，在超过所述延迟时间后，将从所述控制单元接收的控制信号发送到所述第五NMOS管的栅极。

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