CN104600966A - 栅极驱动电路、具有栅极驱动电路的开关设备和电源设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种栅极驱动电路、具有栅极驱动电路的开关设备和电源设备。栅极驱动电路可包括：偏置单元，接收具有预设高电平和预设低电平的输入信号，包括第一N-MOSFET和第一P-MOSFET，并且偏置单元通过第一N-MOSFET和第一P-MOSFET的导通供应偏置功率；放大单元，包括第二N-MOSFET和第二P-MOSFET，其中，第二N-MOSFET通过接收从在输入信号具有预设高电平时导通的第一N-MOSFET供应的偏置功率而导通，第二P-MOSFET通过接收从在输入信号具有预设低电平时导通的第一P-MOSFET供应的偏置功率而导通，并且放大单元根据第二N-MOSFET和第二P-MOSFET的导通提供栅极信号。

Description

栅极驱动电路、具有栅极驱动电路的开关设备和电源设备
本申请要求于2013年10月31日提交到韩国知识产权局的第10-2013-0131617号韩国专利申请的权益，所述专利申请的公开通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及一种用于驱动开关的栅极驱动电路、具有所述栅极驱动电路的开关设备和电源设备。
背景技术
一般而言，根据用户选择执行各种功能的电子设备包括用于执行功能改变、开关操作等的半导体开关，并且所述电子设备主要使用栅极驱动电路来驱动半导体开关。
在这种电子设备之中，电源设备主要使用针对开关电源的开关型电源(SMPS)方案，并使用电源开关来对电源进行开关。因此，用于驱动电源开关的栅极驱动电路会必须用于电源设备中。
同时，上述栅极驱动电路提供用于断开或导通开关的高电平信号和低电平信号。为此，如在以下现有技术文献(专利文献1)中所公开的，至少两个开关可相互串联以输出栅极信号。
然而，在根据上述现有技术的栅极驱动电路中，为了平稳地提供用于将断开或闭合开关的高电平信号和低电平信号，执行死区时间(dead time)控制，使得至少两个开关交替地闭合和断开，并使用输出缓冲器，从而产生功耗。
[现有技术文献]
(专利文献1)第2007-282444号日本专利公开出版物
发明内容
本公开的一方面可提供一种不需要死区时间控制的具有B类放大器结构的栅极驱动电路、具有所述栅极驱动电路的开关设备和电源设备。
此外，本公开来自于作为由韩国的科学、ICT和未来规划局以及首尔大学的产学协力团管理的韩国国家IT工业促进局的IT研究中心发展和支持的一部分而进行的研究。
主题序列号：NIPA-2013-(H0301-13-1013)
部门名称：科学、ICT和未来规划局
项目名称：韩国国家IT工业促进局的IT研究中心发展和支持
项目主题名称：用于信息装置的***半导体的核心设计技术的开发和人力培训
管理部门：首尔大学校产学协力团
研究周期：2013.01.01-2013.12.31
根据本公开的一方面，一种栅极驱动电路可包括：偏置单元，接收具有预设高电平和预设低电平的输入信号，包括：第一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N-MOSFET)和第一P沟道MOS FET(P-MOSFET)，其中，第一N-MOSFET在输入信号具有预设高电平时被导通，第一P-MOSFET在输入信号具有预设低电平时被导通，并且偏置单元通过第一N-MOSFET和第一P-MOSFET的导通来供应偏置功率；放大单元，包括第二N-MOSFET和第二P-MOSFET，其中，第二N-MOSFET通过接收从在输入信号具有预设高电平的情况下导通的第一N-MOSFET供应的偏置功率而被导通，第二P-MOSFET通过接收从在输入信号具有预设低电平的情况下导通的第一P-MOSFET供应的偏置功率而被导通，并且放大单元根据第二N-MOSFET和第二P-MOSFET的导通来提供栅极信号。
栅极驱动电路还可包括：恒流源单元，包括提供预设恒定电流的多个恒流源。
第一N-MOSFET和第一P-MOSFET可在所述多个恒流源之间相互串联，第一N-MOSFET的源极和第一P–MOSFET的源极可分别通过电阻器来接收输入信号，第一N-MOSFET的栅极和第一P–MOSFET的栅极可分别供应偏置功率。
第二N-MOSFET和第二P-MOSFET可在驱动电能端子与接地端之间相互串联，第二N-MOSFET的栅极可接收从第一N-MOSFET供应的偏置功率，第二P-MOSFET的栅极可接收从第一P-MOSFET供应的偏置功率，并且第二N-MOSFET的源极和第二P-MOSFET的源极可彼此共同连接以输出栅极信号。
栅极驱动电路还可包括：电平位移器，对输入信号的信号电平进行位移，并将具有位移后的信号电平的输入信号分别通过电阻器传输到偏置单元的第一N-MOSFET的源极和第一P-MOSFET的源极。
栅极驱动电路还可包括：启动开关，连接到放大单元的栅极信号输出端子，并根据外部控制信号控制是否输出栅极信号。
根据本公开的另一方面，一种开关设备可包括栅极驱动电路和开关，其中，栅极驱动电路包括：偏置单元，接收具有预设高电平和预设低电平的输入信号，包括：第一N-MOSFET和第一P-MOSFET，其中，第一N-MOSFET在输入信号具有预设高电平时被导通，第一P-MOSFET在输入信号具有预设低电平时被导通，并且偏置单元通过第一N-MOSFET和第一P-MOSFET的导通来供应偏置功率；放大单元，包括第二N-MOSFET和第二P-MOSFET，其中，第二N-MOSFET通过接收从在输入信号具有预设高电平的情况下导通的第一N-MOSFET供应的偏置功率而被导通，第二N-MOSFET通过接收从在输入信号具有预设低电平的情况下导通的第一P-MOSFET供应的偏置功率而被导通，并且放大单元根据第二N-MOSFET和第二P-MOSFET的导通来提供栅极信号；其中，开关根据来自栅极驱动电路的栅极信号而被接通和断开，以接通和断开预设信号传输路径。
根据本公开的另一方面，一种电源设备可包括电源单元和控制单元，其中，电源单元根据提供的栅极信号对输入电能进行开关以供应预设直流(DC)电；控制单元包括栅极驱动电路，栅极驱动电路包括：偏置单元，接收具有预设高电平和预设低电平的输入信号，包括第一N-MOSFET和第一P-MOSFET，其中，第一N-MOSFET在输入信号具有预设高电平时被导通，第一P-MOSFET在输入信号具有预设低电平时被导通，并且偏置单元通过第一N-MOSFET和第一P-MOSFET的导通来供应偏置功率；放大单元，包括第二N-MOSFET和第二P-MOSFET，其中，第二N-MOSFET通过接收从在输入信号具有预设高电平的情况下导通的第一N-MOSFET供应的偏置功率而被导通，第二P-MOSFET通过接收从在输入信号具有预设低电平的情况下导通的第一P-MOSFET供应的偏置功率而被导通，并且放大单元根据第二N-MOSFET和第二P-MOSFET的导通来提供控制电源单元的开关的栅极信号。
电源单元可包括变压器和开关，其中，变压器具有：初级绕组，接收输入电能；次级绕组，与初级绕组形成预设匝数比并接收从初级绕组感应的电能；辅助绕组，与初级绕组和次级绕组形成预设匝数比，接收从初级绕组感应到次级绕组的电能，并将驱动电能供应到控制单元；开关根据来自控制单元的栅极信号，接通和断开来自初级绕组的输入电能。
控制单元还可包括：栅极控制单元，基于输入电能的电压电平、检测到开关中的电流的检测电压和来自辅助绕组的驱动电能的电压电平，将输入信号提供给栅极驱动电路。
附图说明
从下面结合附图的详细描述中，将更清楚地理解本公开的以上和其他方面、特征和其他优点，其中：
图1是根据本公开的示例性实施例的电源设备的示意性电路图；
图2是根据图1中示出的本公开的示例性实施例的电源设备中使用的栅极驱动电路的示意性电路图；
图3和图4是示出根据图2中示出的本公开的示例性实施例的电源设备中使用的栅极驱动电路的主要单元的信号波形的曲线图。
具体实施方式
现在将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。然而，本公开可以以很多不同的形式被例证，并且不应被解释为受限于在此阐述的特定实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域的技术人员充分传达本公开的范围。贯穿附图，相同的参考标号将始终被用于指定相同或相似的元件。
图1是根据本公开的示例性实施例的电源设备的示意性电路图。
参照图1，根据本公开的示例性实施例的电源设备100可包括电磁干扰(EMI)滤波单元110、整流单元120、控制单元130和电源单元140。
EMI滤波单元110可对输入的交流(AC)电的电磁干扰(EMI)进行滤波，并将滤波后的AC电传输到整流单元120。
整流单元120可对滤波后的AC电进行整流，并将整流后的电能传输到电源单元140。
电源单元140可包括对整流后的电能进行开关的开关M和经开关后的电能进行感应和输出的变压器T。
开关M可根据控制单元130的控制来对整流后的电能进行开关。更详细地，开关M可对输入到变压器T的初级绕组P的整流后的电能进行开关。为此，开关M可连接到初级绕组P的一端与接地端之间，而整流后的电能Vsup1可被输入到初级绕组P的另一端。
变压器T可包括初级绕组P、次级绕组S和辅助绕组Aux。
变压器T可具有初级侧和次级侧，其中，初级侧和次级侧的接地端的电属性彼此不同，并且初级绕组P和辅助绕组Aux可形成在初级侧，次级绕组S可形成在次级侧。此外，控制单元130可形成在初级侧。
初级绕组P、次级绕组S和辅助绕组Aux中的每一个可具有预设匝数，初级绕组P和次级绕组S可相互磁耦合以在它们之间形成预设匝数比，并且通过开关M的开关，输入到初级绕组P的整流后的电能Vsup1可根据匝数比感应到次级绕组S。
感应到次级绕组S的电能可通过输出端子的二极管D和电容器C被稳定化，随后其(即，直流(DC)电)被供应到至少一个发光二极管。多个发光二极管可相互串联。此外，虽然未示出，但是多个发光二极管阵列也可相互并联。
辅助绕组Aux可分别与初级绕组P和次级绕组S形成预设匝数比，以接收从初级绕组P感应到次级绕组S的电能，从而根据匝数比检测感应到次级绕组S的电能的状态信息，并提供能够操作控制单元130的驱动电能VCC。
由辅助绕组Aux检测到的电能的状态信息ZCD可包括从初级绕组P感应到次级绕组S的电能的零电压信息，并且状态信息ZCD还可被传输到控制单元130。
此外，电源单元140还可包括缓冲电路Sn和检测电阻器Rs，其中，缓冲电路Sn抑制在电能转换开关操作时的电能尖峰分量，检测电阻器Rs用于检测在闭合开关M时的开关M中的电流。
控制单元130可包括栅极控制电路131和栅极控制单元132。
图2是根据图1中示出的本公开的示例性实施例的电源设备中使用的栅极驱动电路的示意性电路图。
参照图1和图2，栅极驱动电路131可包括电平位移器131a、恒流源单元131b、偏置单元131c、放大单元131b和启动开关131e。
电平位移器131a可接收驱动电能VCC，并将输入信号的电压电平进行位移。例如，电平位移器131a可将具有0V低电平和5V高电平的输入信号的电压电平进行位移，以使其变为具有0V低电平和16V高电平的信号。
恒流源单元131b可包括多个恒流源I1、I2、I3和I4，偏置单元131c可电连接到恒流源单元131b以将偏置功率供应到放大单元131d。
偏置单元131c可包括第一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(N-MOSFET)N1和第一P沟道MOS FET(P-MOSFET)P1，第一N-MOSFET和第一P-MOSFET P1可在多个恒流源之间相互串联。更详细地，第一恒流源I1和第二恒流源I2可置于供应驱动电能VCC的驱动电能端子与接地端VSS之间，第一N-MOSFET N1的漏极可连接到第一恒流源I1，第一N-MOSFET N1的源极可连接到第一电阻器R1和第四恒流源I4。第一P-MOSFET P1的漏极可连接到第二恒流源I2，第一P-MOSFET P1的源极可连接到第二电阻器R2和第三恒流源I3。电压电平被电平位移器131a位移的输入信号可被传输到第一电阻器R1与第二电阻器R2之间的连接点，偏置单元131c的第一N-MOSFET N1和第一P-MOSFET P1的各个栅极可分别将偏置功率供应到放大单元131d。
放大单元131d可包括在驱动电能端子与接地端VSS之间相互串联的第二N-MOSFET N2和第二P-MOSFET P2。
第二N-MOSFET N2的漏极可连接到驱动电能端子，第二N-MOSFET N2的栅极可接收从第一N-MOSFET N1供应的偏置功率，第二N-MOSFET N2的源极可连接到第二P-MOSFET P2的源极。第二P-MOSFET P2的漏极可连接到接地端VSS，第二P-MOSFET P2的栅极可接收从第一P-MOSFET P1供应的偏置功率。
第二N-MOSFET N2和第二P-MOSFET P2的源极可彼此共同连接以提供驱动开关M的栅极信号GATE。
此外，栅极驱动电路131可包括连接到信号输出端子的启动开关131e，其中，栅极信号GATE通过所述信号输出端子从共同连接的第二N-MOSFET N2的源极和第二P-MOSFET P2的源极输出，启动开关131e可根据外部控制信号被闭合或断开以中断栅极信号GATE的输出。
图3和图4是示出根据图2中示出的本公开的示例性实施例的电源设备中使用的栅极驱动电路的主要单元的信号波形的曲线图。
如上所述，输入信号ON可具有0V低电平和5V高电平，偏置单元131c的第一N-MOSFET N1可根据电压电平被电平位移器131a位移的输入信号的高电平信号而被导通，偏置单元131c的第一P-MOSFET P1可根据电压电平被电平位移器131a位移的输入信号的低电平信号而被导通。
来自第一N-MOSFET N1的偏置功率HS和来自第一P-MOSFET P1的偏置功率LS可根据电压电平被位移的输入信号的电平，具有例如0V低电平和16V高电平，第二N-MOSFET N2可根据来自第一N-MOSFET N1的偏置功率HS的高电平而被导通，第二P-MOSFET P2可根据来自第一P-MOSFET P1的偏置功率LS的高电平而被截止以将具有例如15V高电平的栅极信号GATE提供给开关M，并且第二N-MOSFET N2可根据来自第一N-MOSFET N1的偏置功率HS的低电平而截止，第二P-MOSFET P2可根据来自第一P-MOSFET P1的偏置功率LS的低电平而被截止以将具有例如0V低电平的栅极信号GATE提供给开关M。
如上所述的开关M和驱动电路131可通过信号开关设备A来实现，开关M可根据来自栅极驱动电路131的栅极信号GATE，接通/断开输入电能Vp。
由于如上所述的栅极驱动电路131的配置，所以不会发生第二N-MOSFETN2和第二P-MOSFET P2同时导通的情况。因此，可以不使用用于防止第二N-MOSFET N2和第二P-MOSFET P2同时导通的情况的死区时间控制和缓冲器，使得动态电流可减少。
栅极控制单元132可基于整流后的电能的电压电平Vsup2、检测到开关M中的电流的检测电压CS和基于来自辅助绕组的驱动电能VCC的电压电平的状态信息ZCD，将输入信号提供给栅极驱动电路131。
如上所阐述，根据本公开的示例性实施例，可以不需要通过死区时间控制的延迟失配时间控制，栅极驱动电路、具有栅极驱动电路的开关设备和电源设备可使用具有低耐压的开关装置来实现，可不使用缓冲器，使得流入的动态电流低，从而减少功耗和栅极驱动电路的制造成本，并且可减少具有该栅极驱动电路的开关设备和电源设备。
尽管以上已示出并描述了示例性实施例，但本领域技术人员将清楚的是，在不脱离由权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可做出修改和改变。

Claims (20)

1.一种栅极驱动电路，包括：
偏置单元，接收具有预设高电平和预设低电平的输入信号，包括第一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N-MOSFET和第一P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P-MOSFET，其中，第一N-MOSFET在输入信号具有预设高电平时被导通，第一P-MOSFET在输入信号具有预设低电平时被导通，并且偏置单元通过第一N-MOSFET和第一P-MOSFET的导通来供应偏置功率；
放大单元，包括第二N-MOSFET和第二P-MOSFET，其中，第二N-MOSFET通过接收从当输入信号具有预设高电平时导通的第一N-MOSFET供应的偏置功率而被导通，第二P-MOSFET通过接收从当输入信号具有预设低电平时导通的第一P-MOSFET供应的偏置功率而被导通，并且放大单元根据第二N-MOSFET和第二P-MOSFET的导通来提供栅极信号。
2.如权利要求1所述的栅极驱动电路，还包括：恒流源单元，包括提供预设恒定电流的多个恒流源。
3.如权利要求2所述的栅极驱动电路，其中，第一N-MOSFET和第一P-MOSFET在所述多个恒流源之间相互串联，第一N-MOSFET的源极和第一P-MOSFET的源极分别通过电阻器来接收输入信号，第一N-MOSFET的栅极和第一P-MOSFET的栅极分别供应偏置功率。
4.如权利要求3所述的栅极驱动电路，其中，第二N-MOSFET和第二P-MOSFET在驱动电能端子与接地端之间相互串联，第二N-MOSFET的栅极接收从第一N-MOSFET供应的偏置功率，第二P-MOSFET的栅极接收从第一P-MOSFET供应的偏置功率，并且第二N-MOSFET的源极和第二P-MOSFET的源极彼此共同连接以输出栅极信号。
5.如权利要求3所述的栅极驱动电路，还包括：电平位移器，对输入信号的信号电平进行位移，并将具有位移后的信号电平的输入信号分别通过电阻器传输到偏置单元的第一N-MOSFET的源极和第一P-MOSFET的源极。
6.如权利要求4所述的栅极驱动电路，还包括：启动开关，连接到放大单元的栅极信号输出端子，并根据外部控制信号控制是否输出栅极信号。
7.一种开关设备，包括栅极驱动电路和开关，其中，
栅极驱动电路包括：
偏置单元，接收具有预设高电平和预设低电平的输入信号，包括：第一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N-MOSFET和第一P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P-MOSFET，其中，第一N-MOSFET在输入信号具有预设高电平时被导通，第一P-MOSFET在输入信号具有预设低电平时被导通，并且偏置单元通过第一N-MOSFET和第一P-MOSFET的导通来供应偏置功率，
放大单元，包括第二N-MOSFET和第二P-MOSFET，其中，第二N-MOSFET通过接收从在输入信号具有预设高电平的情况下导通的第一N-MOSFET供应的偏置功率而被导通，第二P-MOSFET通过接收从在输入信号具有预设低电平的情况下导通的第一P-MOSFET供应的偏置功率而被导通，并且放大单元根据第二N-MOSFET和第二P-MOSFET的导通来提供栅极信号；
开关根据来自栅极驱动电路的栅极信号而被接通和断开，以接通和断开预设信号传输路径。
8.如权利要求7所述的开关设备，其中，栅极驱动电路还包括：恒流源单元，包括提供预设恒定电流的多个恒流源。
9.如权利要求8所述的开关设备，其中，第一N-MOSFET和第一P-MOSFET在所述多个恒流源之间相互串联，第一N-MOSFET的源极和第一P-MOSFET的源极分别通过电阻器来接收输入信号，第一N-MOSFET的栅极和第一P-MOSFET的栅极分别供应偏置功率。
10.如权利要求9所述的开关设备，其中，第二N-MOSFET和第二P-MOSFET在驱动电能端子与接地端之间相互串联，第二N-MOSFET的栅极接收从第一N-MOSFET供应的偏置功率，第二P-MOSFET的栅极接收从第一P-MOSFET供应的偏置功率，并且第二N-MOSFET的源极和第二P-MOSFET的源极彼此共同连接以输出栅极信号。
11.如权利要求9所述的开关设备，其中，栅极驱动电路还包括：电平位移器，对输入信号的信号电平进行位移，并将具有位移后的信号电平的输入信号分别通过电阻器传输到偏置单元的第一N-MOSFET的源极和第一P-MOSFET的源极。
12.如权利要求10所述的开关设备，其中，栅极驱动电路还包括：启动开关，连接到放大单元的栅极信号输出端子，并根据外部控制信号控制是否输出栅极信号。
13.一种电源设备，包括电源单元和控制单元，其中，
电源单元根据提供的栅极信号对输入电能进行开关以供应预设直流DC电；
控制单元包括栅极驱动电路，其中，栅极驱动电路包括：
偏置单元，接收具有预设高电平和预设低电平的输入信号，包括：第一N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管N-MOSFET和第一P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管P-MOSFET，其中，第一N-MOSFET在输入信号具有预设高电平时被导通，第一P-MOSFET在输入信号具有预设低电平时被导通，并且偏置单元通过第一N-MOSFET和第一P-MOSFET的导通来供应偏置功率，
放大单元，包括第二N-MOSFET和第二P-MOSFET，其中，第二N-MOSFET通过接收从在输入信号具有预设高电平的情况下导通的第一N-MOSFET供应的偏置功率而被导通，第二P-MOSFET通过接收从在输入信号具有预设低电平的情况下导通的第一P-MOSFET供应的偏置功率而被导通，并且放大单元根据第二N-MOSFET和第二P-MOSFET的导通来提供控制电源单元的开关的栅极信号。
14.如权利要求13所述的电源设备，其中，电源单元包括变压器和开关，其中，
变压器具有：初级绕组，接收输入电能；次级绕组，与初级绕组形成预设匝数比并接收从初级绕组感应的电能；辅助绕组，与初级绕组和次级绕组形成预设匝数比，接收从初级绕组感应到次级绕组的电能，并将驱动电能供应到控制单元；
开关根据来自控制单元的栅极信号，接通和断开来自初级绕组的输入电能。
15.如权利要求14所述的电源设备，其中，控制单元还包括：栅极控制单元，基于输入电能的电压电平、检测到开关中的电流的检测电压和来自辅助绕组的驱动电能的电压电平，将输入信号提供给栅极驱动电路。
16.如权利要求13所述的电源设备，其中，栅极驱动电路还包括：恒流源单元，包括提供预设恒定电流的多个恒流源。
17.如权利要求16所述的电源设备，其中，第一N-MOSFET和第一P-MOSFET在所述多个恒流源之间相互串联，第一N-MOSFET的源极和第一P-MOSFET的源极分别通过电阻器来接收输入信号，第一N-MOSFET的栅极和第一P-MOSFET的栅极分别供应偏置功率。
18.如权利要求17所述的电源设备，其中，第二N-MOSFET和第二P-MOSFET在驱动电能端子与接地端之间相互串联，第二N-MOSFET的栅极接收从第一N-MOSFET供应的偏置功率，第二P-MOSFET的栅极接收从第一P-MOSFET供应的偏置功率，并且第二N-MOSFET的源极和第二P-MOSFET的源极彼此共同连接以输出栅极信号。
19.如权利要求17所述的电源设备，其中，栅极驱动电路还包括：电平位移器，对输入信号的信号电平进行位移，并将具有位移后的信号电平的输入信号分别通过电阻器传输到偏置单元的第一N-MOSFET的源极和第一P-MOSFET的源极。
20.如权利要求16所述的电源设备，其中，栅极驱动电路还包括：启动开关，连接到放大单元的栅极信号输出端子，并根据外部控制信号控制是否输出栅极信号。
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