CN114050712A - 栅极驱动装置及方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种方法，包括：检测连接到功率开关的开关节点上的信号；检测功率开关的栅极驱动电压；在功率开关的栅极驱动过程中，基于将信号与第一阈值进行比较得到的第一比较结果，来减小栅极驱动电流；以及在功率开关的栅极驱动过程中，基于将栅极驱动电压与第二阈值进行比较得到的第二比较结果，来增加栅极驱动电流。

Description

栅极驱动装置及方法
技术领域
本发明涉及一种栅极驱动装置及方法，在一些具体的实施例中，涉及一种基于自适应转换速率控制的栅极驱动装置及方法。
背景技术
随着技术的不断进步，各种电子设备(例如移动电话、平板电脑、数码相机、MP3播放器和/或其他类似的电子设备)已经流行起来。每个电子设备可以由功率转换器供电。
功率转换器(例如降压转换器)包括串联连接的两个功率开关。未接地的第一功率开关称为高侧开关。接地的第二功率开关称为低侧开关。高侧开关和低侧开关的公共节点作为功率转换器的开关节点。低侧栅极驱动电路和高侧栅极驱动电路分别用于控制低侧开关和高侧开关的栅极。低侧栅极驱动电路的偏置电源由稳压偏置电压源提供。高侧栅极驱动电路所需的栅极电压高于连接到功率转换器的输入电源的电压。
低侧开关和高侧开关可以实现为金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxidesemiconductor field effect transistors,MOSFET)。MOSFET是一种电压控制器件。当对MOSFET的栅极施加栅极驱动电压，且栅极驱动电压大于MOSFET的导通阈值时，MOSFET的漏极和源极之间会建立导电通道。在建立导电通道之后，电流将在MOSFET的漏极和源极之间流动。另一方面，当施加到栅极的栅极驱动电压小于MOSFET的导通阈值时，MOSFET相应地关断。
在工作过程中，功率开关的导通和关断会导致多种问题。例如，功率开关的快速开启和/或关闭可能会产生导致电磁干扰(Electromagnetic interference,EMI)的开关噪声。此外，功率开关的快速开启和/或关闭可能会导致电压尖峰，从而损坏功率开关。上述问题可以通过降低开关节点电压的转换速率(slew rate)来解决。然而，降低开关节点电压的转换速率可能会增加功率开关的开关损耗。需要一种简单可靠的转换速率控制方法，以兼顾提高效率和避免电磁干扰。
发明内容
本公开提供了一种基于自适应转换速率控制的栅极驱动装置及方法，在本公开的一些优选实施例中，上述问题及其他问题通常被解决或规避，并且可获得技术优势。
根据一个实施例，公开了一种装置，包括：上拉栅极驱动电路，被配置为一旦开关节点上的信号变化越过第一导通阈值，则将馈入功率开关的栅极的上拉电流从第一预定上拉电流电平降低到第二预定上拉电流电平，一旦栅极驱动电压超过第二导通阈值，则将馈入所述功率开关的所述栅极的所述上拉电流从所述第二预定上拉电流电平增加到所述第一预定上拉电流电平；以及下拉栅极驱动电路，被配置为一旦所述开关节点上的所述信号变化越过第一关断阈值，则将来自所述功率开关的所述栅极的下拉电流从第一预定下拉电流电平降低到第二预定下拉电流电平，一旦所述栅极驱动电压低于第二关断阈值，则将来自所述功率开关的所述栅极的所述下拉电流从所述第二预定下拉电流电平增加到所述第一预定下拉电流电平。
根据另一个实施例，公开了一种方法，包括：检测连接到功率开关的开关节点上的信号；检测所述功率开关的栅极驱动电压；在所述功率开关的栅极驱动过程中，基于将所述信号与第一阈值进行比较得到的第一比较结果，来减小栅极驱动电流；以及在所述功率开关的所述栅极驱动过程中，基于将所述栅极驱动电压与第二阈值进行比较得到的第二比较结果，来增加栅极驱动电流。
根据又一个实施例，公开了一种控制器，包括：第一感测电路，被配置为接收功率开关的栅极驱动电压；第二感测电路，被配置为接收连接到所述功率开关的开关节点上的电压；以及自适应转换速率控制装置，包括上拉栅极驱动电路和下拉栅极驱动电路，其中：所述上拉栅极驱动电路被配置为：一旦开关节点上的信号变化越过第一导通阈值，则将馈入功率开关的栅极的上拉电流从第一预定上拉电流电平降低到第二预定上拉电流电平，一旦栅极驱动电压超过第二导通阈值，则将馈入所述功率开关的所述栅极的所述上拉电流从所述第二预定上拉电流电平增加到所述第一预定上拉电流电平；以及所述下拉栅极驱动电路被配置为：一旦所述开关节点上的所述信号变化越过第一关断阈值，则将来自所述功率开关的所述栅极的下拉电流从第一预定下拉电流电平降低到第二预定下拉电流电平，一旦所述栅极驱动电压低于第二关断阈值，则将来自所述功率开关的所述栅极的所述下拉电流从所述第二预定下拉电流电平增加到所述第一预定下拉电流电平。
以上描述宽泛地概括了本公开的特征和技术优点，使得下面对本公开的详细描述可以被更好地理解。下面会对本公开的附加特征和优点进行描述，这些附加特征和优点也构成本公开的权利要求保护的主题。本领域技术人员应当理解，基于本公开的构思和具体实施例，对那些与本公开具有相同目的的其它结构或工艺进行修改和设计，是容易实现的。本领域技术人员还应认识到，这些等效结构未偏离如所附权利要求中所阐述的本公开的精神和范围。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优点，现将结合附图提供以下描述以供参考，其中：
图1示出了根据本公开实施例的栅极驱动控制器的框图；
图2示出了根据本公开实施例的自适应转换速率控制装置的第一实施方式；
图3示出了根据本公开实施例的自适应转换速率控制装置的第二实施方式；
图4示出了根据本公开实施例的功率器件在导通过程中的栅极电压和上拉驱动电流；
图5示出了根据本公开实施例的功率器件在关断过程中的栅极电压和下拉驱动电流；
图6示出了根据本公开实施例的功率器件在导通过程中的开关节点电压、栅极电压和上拉驱动电流；
图7示出了根据本公开实施例的功率器件在关断过程中的开关节点电压、栅极电压和下拉驱动电流；和
图8示出了根据本公开实施例的用于操作图1中所示的栅极驱动控制器的流程图。
在不同附图中，相对应的数字和符号一般用于指示相对应的部分，除非另有说明。这些附图是为了清楚地示出各种实施例的相关方面，不一定且不必须按比例绘制。
具体实施方式
下面将详细讨论本公开的优选实施例的实现和应用。然而，应当理解，本公开提供了许多可应用的发明构思，这些发明构思可在多种特定上下文中体现。所讨论的特定实施例仅仅是对实现和应用本公开的一些特定方式的说明，并且不限制本公开的范围。
本公开将在特定上下文中描述一些优选实施例，即基于自适应转换速率控制的栅极驱动装置及方法。然而，本公开还可应用于各种其它的栅极驱动***。下面，将参照附图对本公开的各种实施例进行详细说明。
图1示出了根据本公开实施例的栅极驱动控制器的框图。栅极驱动控制器100被配置为产生施加到功率开关106的栅极的栅极驱动信号。在一些实施例中，功率开关106可以是低侧开关(例如，图1中所示的开关Q2)。在替代实施例中，功率开关106可以是高侧开关(例如，图1中所示的开关Q1)。
如图1所示，第一开关Q1和第二开关Q2串联连接。第一开关Q1也可称为高侧开关。第二开关Q2也可称为低侧开关。第一开关Q1和第二开关Q2的公共节点作为开关节点(SW)。在一些实施例中，第一开关Q1和第二开关Q2可以作为降压功率转换器的一部分。在替代实施例中，第一开关Q1和第二开关Q2可以作为电机驱动应用中使用的H桥的一部分。此外，第一开关Q1和第二开关Q2还可以作为无线电力传输***中全桥的支路。
根据一个实施例，图1所示的各个开关(例如，开关Q1和Q2)可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(metal oxide semiconductor field-effect transistor,MOSFET)器件、双极结型晶体管(bipolar junction transistor,BJT)器件、超结晶体管(super junctiontransistor,SJT)器件、绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)器件、基于氮化镓(GaN)的功率器件和/或类似器件。
栅极驱动控制器100包括第一感测电路101、第二感测电路103、逻辑运算单元102和驱动器104。第一感测电路101被配置为接收施加到功率开关106的栅极的栅极驱动电压。功率开关106的栅极驱动电压在第一传感电路101中进行处理。第一感测电路101的输出信号馈入逻辑运算单元102。第二传感电路103被配置为接收开关节点SW上的信号。在一些实施例中，该信号是开关节点SW上的电压。开关节点SW上的电压在第二感测电路103中进行处理。第二感测电路103的输出信号馈入逻辑运算单元102。基于接收到的信号，逻辑运算单元102被配置为产生多个上拉控制信号105和多个下拉控制信号107，并将其馈入驱动器104中。
驱动器104包括上拉栅极驱动电路和下拉栅极驱动电路。在一些实施例中，上拉栅极驱动电路和下拉栅极驱动电路被配置以使得开关节点SW上的电压的转换速率可以相应地被调节。在全文描述中，驱动器104可替代地被称为自适应转换速率控制装置。
在一些实施例中，自适应转换速率控制装置包括串联连接在第一电压总线(例如，偏置电压总线)和第二电压总线(例如，接地)之间的上拉栅极驱动电路和下拉栅极驱动电路。上拉栅极驱动电路和下拉栅极驱动电路的公共节点连接到功率开关106的栅极。
上拉栅极驱动电路被配置为一旦开关节点上的电压变化越过第一导通阈值，则将馈入功率开关106的栅极的上拉电流从第一预定上拉电流电平降低到第二预定上拉电流电平，一旦栅极驱动电压超过第二导通阈值，则将馈入功率开关106栅极的上拉电流从第二预定上拉电流电平增加到第一预定上拉电流电平。上拉栅极驱动电路的详细工作原理将在下文结合图4和图6进行说明。需要说明的是，根据两种不同的应用，第一导通阈值可以有两个不同的值。当功率开关106为低侧开关时，第一导通阈值是在低侧开关关断和高侧开关导通后的略小于开关节点上的稳态电压的电压。当功率开关106为低侧开关时，一旦开关节点上的电压下降到低于第一导通阈值，上拉电流就会减小。当功率开关106为高侧开关时，第一导通阈值是在高侧开关关断和低侧开关导通后的略大于开关节点上的稳态电压的电压。当功率开关106为高侧开关时，一旦开关节点上的电压超过第一导通阈值，上拉电流就会减小。
下拉栅极驱动电路被配置为一旦开关节点上的电压变化越过第一关断阈值，则将来自功率开关106的栅极的下拉电流从第一预定下拉电流电平降低到第二预定下拉电流电平，一旦栅极驱动电压低于第二关断阈值，则将来自功率开关106的栅极的下拉电流从第二预定下拉电流电平增加到第一预定下拉电流电平。下拉栅极驱动电路的详细工作原理将在下文结合图5和图7进行说明。需要说明的是，根据两种不同的应用，第一关断阈值可以有两个不同的值。当功率开关106为低侧开关时，第一关断阈值是在低侧开关导通和高侧开关关断后的略大于开关节点上的稳态电压的电压。当功率开关106为低侧开关时，一旦开关节点上的电压超过第一关断阈值，下拉电流就会减小。当功率开关106为高侧开关时，第一关断阈值是在高侧开关导通和低侧开关关断后的略小于开关节点上的稳态电压的电压。当功率开关106为高侧开关时，一旦开关节点上的电压下降到低于第一关断阈值，下拉电流就会减小。
图2示出了根据本公开实施例的自适应转换速率控制装置的第一实施方式。自适应转换速率控制装置包括上拉栅极驱动电路202和下拉栅极驱动电路204。上拉栅极驱动电路202包括多个并联在第一电压总线VDD与功率器件栅极之间的上拉开关电阻网络(如图1所示)。在一些实施例中，VDD连接到偏置电压源。
如图2所示，开关S11和电阻R11串联形成第一上拉开关电阻网络。开关S12和电阻R12串联形成第二上拉开关电阻网络。开关S13和电阻R13串联形成第三上拉开关电阻网络。开关S1N和电阻R1N串联形成第n上拉开关电阻网络。
返回参考图1，多个上拉控制信号105被馈入自适应转换速率控制装置104。多个上拉控制信号105用于控制图2所示的开关S11-S1N的导通/关断。通过控制开关S11-S1N的导通/关断，可以相应地控制流经上拉栅极驱动电路202的上拉电流。可调上拉电流可用于在功率器件的导通过程中改变开关节点上的电压变化速率。下面将结合图4描述使用可调上拉电流改变开关节点上的电压变化速率的详细过程。
下拉栅极驱动电路204包括并联连接在功率器件的栅极和第二电压总线VSS之间的多个下拉开关电阻网络。在一些实施例中，VSS连接到地电压。
如图2所示，开关S21和电阻R21串联形成第一下拉开关电阻网络。开关S22和电阻R22串联形成第二下拉开关电阻网络。开关S23和电阻R23串联形成第三下拉开关电阻网络。开关S2N和电阻R1N串联形成第n下拉开关电阻网络。
返回参考图1，多个下拉控制信号107被馈入自适应转换速率控制装置104。多个下拉控制信号107用于控制图2所示的开关S21-S2N的导通/关断。通过控制开关S21-S2N的导通/关断，可以相应地控制流经下拉栅极驱动电路204的下拉电流。可调下拉电流可用于在功率器件的关断过程中改变开关节点上的电压变化速率。下面将结合图5描述使用可调下拉电流改变开关节点上的电压变化速率的详细过程。
图3示出了根据本公开实施例的自适应转换速率控制装置的第二实施方式。自适应转换速率控制装置包括上拉栅极驱动电路302和下拉栅极驱动电路304。上拉栅极驱动电路302包括并联连接在第一电压总线VDD与功率器件的栅极之间的多个上拉开关S11、S12、S13和S1N。在工作过程中，施加于多个上拉开关S11、S12、S13和S1N之一的至少一个栅极驱动电压被调制，以调整流经上拉栅极驱动电路302的上拉电流。
下拉栅极驱动电路304包括并联连接在功率器件的栅极与第二电压总线VSS之间的多个下拉开关S21、S22、S23和S2N。在工作过程中，施加于多个下拉开关S21、S22、S23和S2N之一的至少一个栅极驱动电压被调制，以调整流经下拉栅极驱动电路304的下拉电流。
图4示出了根据本公开实施例的功率器件在导通过程中的栅极电压和上拉驱动电流。虚线的栅极驱动电压Vg表示未采用图2所示的自适应变化速率控制装置的导通过程。虚线的栅极驱动电压Vg可分为三个区间，如图4所示。在第一间隔Tr1(从t0到t2)，上拉电流对功率器件的栅源电容充电后，虚线的栅极驱动电压从零上升到米勒平台电平(Millerplateau level)。在第二间隔Tr2(从t2到t5)，功率器件的漏源电压开始下降。如图4所示，虚线的栅极驱动电压保持稳定。第二间隔Tr2是栅极驱动电压波形中的米勒平台区。图4中所示的第二间隔Tr2可替代地称为导通过程中的米勒平台阶段。在第三间隔Tr3(从t5到t6)，虚线的栅极驱动电压从米勒平台区上升到更高的电压电平，即最终的栅极驱动电压。最终的栅极驱动电压决定了功率器件的导通电阻。
采用图2所示的自适应转换速率控制装置来改进功率开关的导通过程。如图4所示，从t0到t1，具有第一预定电流电平的上拉电流用于对栅源电容器充电。实线的栅极驱动电压从零线性上升到米勒平台电平Vm。在栅极驱动电压达到Vm后，开关节点(例如功率器件的漏极)上的电压开始下降(图6中Vsw的实线)。需要说明的是，上述示例是基于功率开关为低侧开关。当功率开关为高侧开关时，在栅极驱动电压达到Vm后，开关节点上的电压开始增加(图6中Vsw的虚线)。在t1时刻，一旦开关节点上的电压下降到低于第一阈值(如图6所示)，馈入功率开关的栅极的上拉电流(Ipullup)从第一预定电流电平降低到第二预定电流电平。需要说明的是，上述示例是基于功率开关为低侧开关。当功率开关为高侧开关时，一旦开关节点上的电压超过预定阈值(例如，略大于接地电压电位的阈值)，馈入功率开关的栅极的上拉电流(Ipullup)就会从第一预定电流电平降低到第二预定电流电平。从t1到t3，上拉电流保持稳定。在t3时刻，一旦栅极驱动电压超过第二阈值(如图6所示)，馈入功率开关的栅极的上拉电流从第二预定电流电平增加到第一预定电流电平。从t3到t4，实线中的栅极驱动电压从米勒平台电平Vm线性上升到最终的栅极驱动电压。t4之后，栅极驱动电压保持稳定。
在功率开关的导通过程中，开关节点的转换时间约等于第二间隔Tr2。换言之，开关节点上的电压转换速率由第二间隔Tr2决定。与传统的栅极驱动装置(虚线所示的栅极驱动电压)相比，本公开中的Tr2与传统栅极驱动装置的Tr2大致相等。通过调整Tr1和Tr3中的上拉电流，本公开中的Tr1和Tr3显著降低。通过将Tr2保持为与传统栅极驱动装置相同，可以相对降低开关节点上的电压转换速率。通过减小Tr1和Tr3可以减少总的导通栅极转换时间，从而最大限度地减少开关损耗。
在工作过程中，在功率开关的导通过程中，可以通过调整第一预定电流电平与第二预定电流电平之间的差值来减少总的导通栅极转换时间。在一些实施例中，第一预定电流电平(Tr1和Tr3中的上拉电流)至少是第二预定电流电平(Tr2中的上拉电流)的两倍。在一些实施例中，根据设计需要和不同的应用，第一预定电流电平可以是第二预定电流电平的四倍或五倍。
在一些实施例中，在使用自适应转换速率控制装置之后，Tr1降低到约2ns到约20ns的范围内。Tr2维持在约10ns到约100ns的范围内。Tr3降低到约2ns到约20ns的范围内。
需要说明的是，上述使用自适应转换速率控制装置的开启过程仅是示例性过程，并不旨在限制当前实施例。可替代地使用其它开启过程，例如仅降低Tr1或仅降低Tr3。其他实施例(仅增加Tr1中的上拉电流和仅增加Tr3中的上拉电流)完全旨在包括在本文讨论的实施例的范围内。
具有图2-3中所示的自适应转换速率控制装置的一个有利技术特征是保持Tr2中的上拉电流相同以降低EMI，并将Tr1和/或Tr3中的上拉电流增加到更高电平以降低开关损耗。此外，自适应转换速率控制装置有助于减少高侧开关和低侧开关转换之间的死区时间(dead time)。
图5示出了根据本公开实施例的功率器件在关断过程中的栅极电压和下拉驱动电流。虚线的栅极驱动电压Vg表示未采用图2所示自适应转换速率控制装置的关断过程。虚线的栅极驱动电压Vg可分为三个区间，如图5所示。在第一间隔Tr1(从t0到t2)，在下拉电流对功率器件的栅源电容放电后，虚线的栅极驱动电压从最终的栅极驱动电压下降到米勒平台电平。在第二间隔Tr2(从t2到t5)，功率器件的漏极电压(例如，开关节点上的电压)开始上升。虚线的栅极驱动电压保持稳定，如图5所示。第二个间隔Tr2是栅极驱动电压波形的米勒平台区域。图5中所示的第二间隔Tr2可替代地称为关断过程的米勒平台阶段。在第三间隔Tr3(从t5到t6)，虚线中的栅极驱动电压从米勒平台区下降到零。需要说明的是，上述示例是基于功率开关为低侧开关。当功率开关为高侧开关时，在第二间隔Tr2(从t2到t5)，开关节点上的电压开始下降。
采用图2所示的自适应转换速率控制装置来改进功率开关的关断过程。如图5所示，从t0到t1，具有第一预定电流电平的下拉电流用于对栅源电容器放电。实线的栅极驱动电压从最终的栅极驱动电压线性下降到米勒平台电平Vm。在实线的栅极驱动电压达到Vm后，开关节点(例如功率器件的漏极)上的电压开始上升(未示出，但在图7中进行了说明)。在t1时刻，一旦开关节点上的电压超过第一阈值(如图7所示)，馈入功率开关的栅极的下拉电流(Ipulldown)从第一预定电流电平降低到第二预定电流电平。从t1到t3，下拉电流保持稳定。在t3时刻，一旦实线中的栅极驱动电压降至低于第二阈值，馈入功率开关的栅极的下拉电流就会从第二预定电流电平增加到第一预定电流电平(如图7所示)。从t3到t4，实线中的栅极驱动电压以线性方式从米勒平台电平Vm下降到零。需要说明的是，上述示例是基于功率开关为低侧开关。当功率开关为高侧开关时，开关节点上的电压开始下降(图7中Vsw的虚线)。在t1时刻，一旦开关节点上的电压下降到低于第一阈值，馈入功率开关的栅极的下拉电流(Ipulldown)从第一预定电流电平降低到第二预定电流电平。
在功率开关的关断过程中，开关节点上的电压转换速率由第二间隔Tr2决定。与传统的栅极驱动装置(虚线中的栅极驱动电压)相比，本公开中的Tr2与传统栅极驱动装置的Tr2大致相等。通过调整Tr1和Tr3中的下拉电流，本公开中的Tr1和Tr3显著降低。通过将Tr2保持为与传统栅极驱动装置相同，可以相对降低开关节点上的电压转换速率。通过减小Tr1和Tr3可以减少总的关断栅极转换时间，从而降低开关损耗。
在工作过程中，在功率开关的关断过程中，可以通过调整第一预定电流电平与第二预定电流电平之间的差值来减少总的关断栅极转换时间。在一些实施例中，第一预定电流电平(Tr1和Tr3中的下拉电流)至少是第二预定电流电平(Tr2中的下拉电流)的两倍。在一些实施例中，根据设计需要和不同的应用，第一预定电流电平可以是第二预定电流电平的四倍或五倍。
在一些实施例中，在使用自适应转换速率控制装置之后，Tr1降低到约2ns到约20ns的范围内。Tr2维持在约10ns到约100ns的范围内。Tr3降低到约2ns到约20ns的范围内。
需要说明的是，上述使用自适应转换速率控制装置的关断过程仅是示例性过程，并不旨在限制当前实施例。可以替代地使用其他关断过程，例如仅降低Tr1或仅降低Tr3。其他实施例(仅增加Tr1中的下拉电流和仅增加Tr3中的下拉电流)完全旨在包括在本文讨论的实施例的范围内。
具有自适应转换速率控制装置的一个有利技术特征是保持Tr2中的下拉电流相同以降低EMI，并将Tr1和/或Tr3中的下拉电流增加到更高电平以降低开关损耗。此外，Tr3中增加的下拉电流有助于解决栅极耦合问题。此外，自适应转换速率控制装置有助于减少高侧开关和低侧开关转换之间的死区时间。
图6示出了根据本公开实施例的功率器件在导通过程中的开关节点电压、栅极电压和上拉驱动电流。当功率开关为低侧开关时，Vsw的实线用于确定功率开关何时进入导通过程的米勒平台阶段。具体的，在功率开关的导通过程中，从t0到t1，上拉电流对功率开关的栅源电容进行充电。栅极驱动电压在t1时刻从零上升到米勒平台电平Vm。一旦栅极驱动电压达到Vm，开关节点电压Vsw(Vsw的实线)开始下降。开关节点电压Vsw与第一预定阈值进行比较。开关节点电压Vsw与第一预设阈值的比较结果用于确定功率开关何时进入导通过程的米勒平台阶段。一旦功率开关进入导通过程的米勒平台阶段，上拉电流从高电平降低到低电平，如虚线602所示。当功率开关为高侧开关时，Vsw的虚线用于确定功率开关何时进入导通过程的米勒平台阶段。具体的，在功率开关的导通过程中，从t0到t1，上拉电流对功率开关的栅源电容进行充电。栅极驱动电压在t1时刻从零上升到米勒平台电平Vm。一旦栅极驱动电压达到Vm，开关节点电压Vsw(Vsw的虚线)开始增加。开关节点电压Vsw与预定阈值(例如，略大于地电压电势的电压阈值)进行比较。开关节点电压Vsw与预设阈值的比较结果用于确定功率开关何时进入导通过程的米勒平台阶段。一旦功率开关进入导通过程的米勒平台阶段，上拉电流就会从高电平降低到低电平。
在t2时刻，对于低侧开关，开关节点电压Vsw下降到零(对于高侧开关，开关节点电压Vsw上升到高电压)，栅极驱动电压开始上升。在t3时刻，栅极驱动电压达到VA，VA是预定阈值，且VA大于米勒平台电平Vm。将栅极驱动电压与VA进行比较，通过栅极驱动电压与VA获得的比较结果用于确定功率开关何时结束导通过程的米勒平台阶段。一旦功率开关开启过程的米勒平台阶段结束，上拉电流就会从低电平增加到高电平，如虚线604所示。
需要说明的是，图6所示的开关节点电压Vsw用于确定功率开关何时进入导通过程的米勒平台阶段，仅作为一个示例。在替代实施例中，栅极驱动电压也可以用于确定功率开关何时进入导通过程的米勒平台阶段。
还需要说明的是，开关节点上的电压与第一预定阈值的比较用于确定功率开关何时进入导通过程的米勒平台阶段，仅作为一个示例。在替代实施例中，可以使用不同的操作参数来确定功率开关何时进入米勒平台阶段。例如，操作参数可以是从随时间的开关节点电压差、随时间的开关节点电压差的转换速率和流经功率开关的电流中选择的一个变量。
图7示出了根据本公开实施例的功率器件在关断过程中的开关节点电压、栅极电压和下拉驱动电流。当功率开关为低侧开关时，Vsw的实线用于确定功率开关何时进入关断过程的米勒平台阶段。具体的，在功率开关的关断过程中，从t0到t1，下拉电流对功率开关的栅源电容放电。栅极驱动电压在t1从最终栅极驱动电压下降到米勒平台电平Vm。一旦栅极驱动电压达到Vm，开关节点电压Vsw开始上升。开关节点电压Vsw与第一预定阈值进行比较。在一些实施例中，第一预定阈值可以是略高于零的电压电平。开关节点电压Vsw与第一预设阈值的比较结果用于判断功率开关何时进入关断过程的米勒平台阶段。一旦功率开关进入关断过程的米勒平台阶段，下拉电流从高电平降低到低电平，如虚线702所示。当功率开关为高侧开关时，Vsw的虚线用于确定功率开关何时进入关断过程的米勒平台阶段。具体的，在功率开关的关断过程中，从t0到t1，下拉电流对功率开关的栅源电容放电。栅极驱动电压在t1从最终栅极驱动电压下降到米勒平台电平Vm。一旦栅极驱动电压达到Vm，开关节点电压Vsw开始下降。开关节点电压Vsw与预定阈值进行比较。在一些实施例中，预定阈值可以是略小于稳态开关节点电压的电压电平。开关节点电压Vsw与预定阈值的比较结果用于确定功率开关何时进入关断过程的米勒平台阶段。一旦功率开关进入关断过程的米勒平台阶段，下拉电流就会从高电平降低到低电平。
在t2时刻，开关节点电压Vsw达到低侧开关的稳态电平(开关节点电压Vsw下降到高侧开关的零)，栅极驱动电压开始下降。在t3时刻，栅极驱动电压达到VB，VB是预定阈值。在一些实施例中，VB小于米勒平台电平Vm。将栅极驱动电压与VB进行比较，栅极驱动电压与VB的比较结果用于确定功率开关何时结束关断过程的米勒平台阶段。
需要说明的是，图6所示的开关节点电压Vsw用于确定功率开关何时进入关断过程的米勒平台阶段，仅作为一个示例。在替代实施例中，栅极驱动电压也可以用于确定功率开关何时进入关断过程的米勒平稳阶段。
还需要说明的是，开关节点上的电压与第一预定阈值的比较用于确定功率开关何时进入关断过程的米勒平台阶段，仅作为一个示例。在替代实施例中，可以使用不同的操作参数来确定功率开关何时进入米勒平台阶段。例如，操作参数可以是从随时间的开关节点电压差、随时间的开关节点电压差的转换速率和流经功率开关的电流中选择的一个变量。
图8示出了根据本公开实施例的用于操作图1中所示的栅极驱动控制器的流程图。图8所示的流程图仅作为示例，不应过度理解为用于限制权利要求的范围。本领域普通技术人员可以认识到本公开的各实施例可以存在许多变化、替代和修改。例如，如图8所示的各步骤可以被添加、删除、替换、重新排列和重复。
返回参考图1，采用栅极驱动器控制器来驱动功率开关(例如，Q2)。栅极驱动控制器包括自适应转换速率控制装置。自适应转换速率控制装置包括上拉栅极驱动电路和下拉栅极驱动电路。
在功率开关的导通过程中，上拉栅极驱动电路能够动态调整馈入功率开关的栅极的上拉电流，以维持米勒平台阶段的时间相同，但显著减少了总开启栅极转换时间。
在功率开关的关断过程中，下拉栅极驱动电路能够动态调整馈入功率开关的栅极的下拉电流，以维持米勒平台阶段的时间相同，但显著减少了总关断栅极转换时间。
在步骤802中，栅极驱动控制器被配置为检测连接到功率开关的开关节点上的信号。在一些实施例中，信号是开关节点上的电压。
在步骤804中，栅极驱动控制器被配置为检测功率开关的栅极驱动电压。
在步骤806中，在功率开关的栅极驱动过程中，栅极驱动控制器被配置为基于将信号与第一阈值进行比较得到的第一比较结果，来减小栅极驱动电流。
在步骤808中，在功率开关的栅极驱动过程中，栅极驱动控制器被配置为基于将栅极驱动电压与第二阈值进行比较得到的第二比较结果，来增加栅极驱动电流。
返回参考图4，该方法还包括：在功率开关的导通过程中，一旦开关节点上的电压变化越过第一阈值，则将馈入功率开关的栅极的上拉电流从第一预定电流电平降低到第二预定电流电平，以及在功率开关的导通过程中，一旦栅极驱动电压超过第二阈值，则将馈入功率开关的栅极的上拉电流从第二预定电流电平增加到第一预定电流电平。该方法还包括在功率开关的导通过程中，通过调整第一预定电流电平与第二预定电流电平之间的差值来减少导通栅极转换时间。
在功率开关的导通过程中，利用将信号与第一阈值进行比较得到的第一比较结果，来确定功率开关何时进入导通过程的米勒平台阶段。
在功率开关的导通过程中，利用将栅极驱动电压与第二阈值进行比较得到的第二比较结果，来确定功率开关何时结束导通过程的米勒平台阶段。
返回参考图5，该方法还包括：在功率开关的关断过程中，一旦开关节点上的电压变化越过第一阈值，将来自功率开关的栅极的下拉电流从第一预定电流电平降低到第二预定电流电平，以及在功率开关的关断过程中，一旦栅极驱动电压降至低于第二阈值，将来自功率开关的栅极的下拉电流从第二预定电流电平增加到第一预定电流电平。该方法还包括在功率开关的关断过程中，通过调整第一预定电流电平与第二预定电流电平之间的差值来减少关断栅极转换时间。
在功率开关的关断过程中，利用将信号与第一阈值进行比较得到的第一比较结果，来确定功率开关何时进入功率开关的关断过程的米勒平台阶段。
在功率开关的关断过程中，利用将栅极驱动电压与第二阈值进行比较得到的第二比较结果，来确定功率开关何时结束功率开关的关断过程的米勒平台阶段。
尽管已经详细描述了本公开的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求定义的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开各实施例进行各种修改、替换和变换。
此外，本申请的范围不限于说明书中描述的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。正如本领域普通技术人员可以容易地从本公开中理解的那样，与本文描述的相应实施例具有基本相同的功能或实现基本相同的结果的过程、机器、制造、物质组合物、装置、方法或步骤可以根据本公开被采用，这些过程、机器、制造、物质组合物、装置、方法或步骤可以是目前存在的或未来被开发的。因此，所附权利要求书旨在将这样的过程、机器、制造、物质组合物、装置、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (20)

1.一种装置，其特征在于，包括：
上拉栅极驱动电路，被配置为一旦开关节点上的信号变化越过第一导通阈值，则将馈入功率开关的栅极的上拉电流从第一预定上拉电流电平降低到第二预定上拉电流电平，一旦栅极驱动电压超过第二导通阈值，则将馈入所述功率开关的所述栅极的所述上拉电流从所述第二预定上拉电流电平增加到所述第一预定上拉电流电平；以及
下拉栅极驱动电路，被配置为一旦所述开关节点上的所述信号变化越过第一关断阈值，则将来自所述功率开关的所述栅极的下拉电流从第一预定下拉电流电平降低到第二预定下拉电流电平，一旦所述栅极驱动电压低于第二关断阈值，则将来自所述功率开关的所述栅极的所述下拉电流从所述第二预定下拉电流电平增加到所述第一预定下拉电流电平。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述上拉栅极驱动电路包括并联连接的多个上拉开关电阻网络；以及
所述下拉栅极驱动电路包括并联连接的多个下拉开关电阻网络。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述上拉栅极驱动电路和所述下拉栅极驱动电路串联在偏置电压总线和地之间，其中，所述上拉栅极驱动电路和所述下拉栅极驱动电路的公共节点连接至所述功率开关的所述栅极。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述上拉栅极驱动电路包括并联连接的多个上拉开关；以及
所述下拉栅极驱动电路包括并联连接的多个下拉开关。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，
调制施加于所述多个上拉开关之一的至少一个所述栅极驱动电压，以调整流经所述上拉栅极驱动电路的所述上拉电流。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，
调制施加于所述多个下拉开关之一的至少一个所述栅极驱动电压，以调整流经所述下拉栅极驱动电路的所述下拉电流。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述开关节点上的所述信号是所述开关节点上的电压。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
开关节点上的信号是从随时间的开关节点电压差、随时间的开关节点电压差的转换速率和流经功率开关的电流中选择的一个变量。
9.一种方法，其特征在于，包括：
检测连接到功率开关的开关节点上的信号；
检测所述功率开关的栅极驱动电压；
在所述功率开关的栅极驱动过程中，基于将所述信号与第一阈值进行比较得到的第一比较结果，来减小栅极驱动电流；以及
在所述功率开关的所述栅极驱动过程中，基于将所述栅极驱动电压与第二阈值进行比较得到的第二比较结果，来增加栅极驱动电流。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述功率开关的导通过程中，一旦所述开关节点上的电压变化越过所述第一阈值，则将馈入所述功率开关的栅极的上拉电流从第一预定电流电平降低到第二预定电流电平；以及
在所述功率开关的所述导通过程中，一旦所述栅极驱动电压超过第二阈值，则将馈入所述功率开关的所述栅极的所述上拉电流从所述第二预定电流电平增加到所述第一预定电流电平。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述功率开关的所述导通过程中，通过调整所述第一预定电流电平与所述第二预定电流电平之间的差值来减少导通栅极转换时间。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
在所述功率开关的所述导通过程中，利用将所述信号与所述第一阈值进行比较得到的所述第一比较结果，来确定所述功率开关何时进入所述导通过程的米勒平台阶段。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，
在所述功率开关的所述导通过程中，利用将所述栅极驱动电压与所述第二阈值进行比较得到的所述第二比较结果，来确定所述功率开关何时结束所述导通过程的米勒平台阶段。
14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述功率开关的关断过程中，一旦所述开关节点上的电压变化越过第一阈值，将来自所述功率开关的栅极的下拉电流从第一预定电流电平降低到第二预定电流电平；以及
在所述功率开关的所述关断过程中，一旦所述栅极驱动电压降至低于第二阈值，将来自所述功率开关的所述栅极的所述下拉电流从所述第二预定电流电平增加到所述第一预定电流电平。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述功率开关的所述关断过程中，通过调整所述第一预定电流电平与所述第二预定电流电平之间的差值来减少关断栅极转换时间。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
在所述功率开关的所述关断过程中，利用将所述信号与第一阈值进行比较得到的所述第一比较结果，来确定所述功率开关何时进入所述功率开关的所述关断过程的米勒平台阶段。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
在所述功率开关的所述关断过程中，利用将所述栅极驱动电压与第二阈值进行比较得到的所述第二比较结果，来确定所述功率开关何时结束所述功率开关的所述关断过程的米勒平台阶段。
18.一种控制器，其特征在于，包括：
第一感测电路，被配置为接收功率开关的栅极驱动电压；
第二感测电路，被配置为接收连接到所述功率开关的开关节点上的电压；以及
自适应转换速率控制装置，包括上拉栅极驱动电路和下拉栅极驱动电路，其中：
所述上拉栅极驱动电路被配置为：一旦开关节点上的信号变化越过第一导通阈值，则将馈入功率开关的栅极的上拉电流从第一预定上拉电流电平降低到第二预定上拉电流电平，一旦栅极驱动电压超过第二导通阈值，则将馈入所述功率开关的所述栅极的所述上拉电流从所述第二预定上拉电流电平增加到所述第一预定上拉电流电平；以及
所述下拉栅极驱动电路被配置为：一旦所述开关节点上的所述信号变化越过第一关断阈值，则将来自所述功率开关的所述栅极的下拉电流从第一预定下拉电流电平降低到第二预定下拉电流电平，一旦所述栅极驱动电压低于第二关断阈值，则将来自所述功率开关的所述栅极的所述下拉电流从所述第二预定下拉电流电平增加到所述第一预定下拉电流电平。
19.根据权利要求18所述的控制器，其特征在于，
所述上拉栅极驱动电路包括并联连接的多个上拉开关电阻网络，其中每个所述上拉开关电阻网络包括串联连接在第一电压总线和所述功率开关的所述栅极之间的第一开关和第一电阻；以及
所述下拉栅极驱动电路包括并联连接的多个下拉开关电阻网络，其中每个所述下拉开关电阻网络包括串联连接在所述功率开关的所述栅极和第二电压总线之间的第二电阻和第二开关，所述第一电压总线低于所述第二电压总线。
20.根据权利要求18所述的控制器，其特征在于，
所述第一预定上拉电流电平为所述第二预定上拉电流电平的至少两倍；以及
所述第一预定下拉电流电平为所述第二预定下拉电流电平的至少两倍。
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