一种栅极驱动器及其驱动方法与流程

1.本发明的实施例涉及一种电子电路，更具体地说，尤其涉及一种栅极驱动器及其驱动方法。


背景技术：

2.在高压应用中，mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor，金属氧化物场效应晶体管)因其常闭特性可减少栅极驱动的功率损耗而成为优选器件。然而，高压mosfet存在开通电阻相对较高和栅氧退化的问题。常通型器件，如jfet(junction field effect transistor，结型场效应晶体管)，则具有开通电阻相对较小且无栅氧的优势，因此常通型功率器件可作为高压mosfet的替代选择。
3.一般情况下，jfet可由共源共栅结构驱动。图1示出了共源共栅的jfet结构100。如图1所示，jfet结构100包括一个jeft j1和一个mosfet m1。在不施加负向栅源电压的情况下，jfet j1是一个常通型高压器件。在不施加正向栅源电压的情况下，mosfet m1是一个常闭型低压器件。通过在mosfet m1的栅极上施加合适的电压，可控制jfet结构100的开通和关断。
4.jfet结构100虽然简单，但是每个jfet都需要对应一个mosfet。除此之外，共源共栅结构使jfet的栅极并不受直接控制，导致不能实现对jfet转换速率的控制。同时，由于硬开关关断，低压mosfet需承受较大的电压应力。因此，该结构的mosfet需要额外的强箝位保护。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，提出了一种栅极驱动器及其驱动方法，用于驱动常闭型器件和常通型器件，在提高开关性能、减小开通电阻的同时，解决了常闭型器件需承受较高电压应力的问题。
6.根据本发明实施例，提出了一种栅极驱动器，用于驱动功率器件，所述功率器件包括串联耦接于第一端和第二端之间的常通型器件和常闭型器件，所述栅极驱动器包括：第一驱动器，接收pwm信号，并驱动常通型器件；第二驱动器，驱动常闭型器件；以及欠压检测器，检测第一驱动器的负向电源电压、第二驱动器的正向电源电压以及输入电源电压的欠压状态，其中若负向电源电压、输入电源电压或正向电源电压中的任一电压处于欠压状态，第二驱动器控制常闭型器件关断。
7.根据本发明的实施例，还提出了一种栅极驱动器，用于驱动包括高侧功率器件及低侧功率器件的半桥电路，高侧功率器件包括串联耦接于第一端和第二端之间的第一常通型器件和常闭型器件，低侧功率器件包括耦接至第二端和参考地之间的第二常通型器件，所述栅极驱动器包括：第一驱动器，接收pwm信号，并驱动第一常通型器件；第二驱动器，驱动常闭型器件；第三驱动器，接收pwm信号，并驱动第二常通型器件；以及欠压检测器，检测第一驱动器的负向电源电压、输入电源电压以及第二驱动器的正向电源电压的欠压状态，
其中负向电源电压、输入电源电压或正向电源电压中的任一电压处于欠压状态，第二驱动器控制常闭型器件关断。
8.根据本发明的实施例，还提出了一种驱动方法，包括：根据pwm信号控制常通型器件在开通和关断状态间切换，通过将常通型器件的控制端耦接至负向电源电压，控制常通型器件关断；通过将常闭型器件的控制端耦接至正向电源电压，控制常闭型器件维持在开通状态，所述常通型器件与常闭型器件串联耦接；以及检测负向电源电压和正向电源电压是否处于欠压状态：若负向电源电压和正向电源电压中任一电压处于欠压状态，关断常闭型器件。
附图说明
9.为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：
10.图1示出了现有的jeft结构100；
11.图2示出了根据本发明一实施例的栅极驱动器200；
12.图3示出了根据本发明一实施例的包含第一驱动器11具体电路配置的栅极驱动器300；
13.图4示出了根据本发明一实施例的包含第一驱动器11具体电路配置的栅极驱动器400；
14.图5示出了根据本发明一实施例的栅极驱动器500；
15.图6示出了根据本发明一实施例的包含第一驱动器11和第三驱动器15具体电路配置的栅极驱动器600；
16.图7示出了根据本发明一实施例的驱动方法700的流程示意图。
具体实施方式
17.下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
18.在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。相同的附图标记指示相同的器件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
19.图2示出了根据本发明一实施例的栅极驱动器200。在图2的示例中，栅极驱动器200用于驱动功率器件201。功率器件201包括一个常通型器件j1和一个常闭型器件m1，串联耦接在第一端d和第二端s之间。栅极驱动器200包括：第一驱动器11，用于接收pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)信号并驱动常通型器件j1；以及第二驱动器12，用于驱
动常闭型器件m1。栅极驱动器200还包括：欠压检测器13，用于检测第一驱动器11的负向电源电压v
neg
、第二驱动器12的正向电源电压v
cc
以及输入电源电压v
in
的欠压状态。当第一驱动器11的负向电源电压v
neg
、第二驱动器12的正向电源电压v
cc
以及输入电压v
in
中的任一电压处于欠压状态，第二驱动器12控制常闭型器件m1关断。
20.在本发明的实施例中，栅极驱动器200还包括一个转换电路14。转换电路14将输入电源电压v
in
转换为正向电源电压v
cc
(例如，转换电路14可包括低压差线性稳压器，以实现转换功能)。转换电路14还将输入电源电压v
in
转换为负向电源电压v
neg
(例如，转换电路14可包括电荷泵，以实现转换功能)。
21.本领域普通技术人员应当理解，在本发明的实施例中，术语“常通型器件”指的是具有初始导电沟道的器件，若无负向电压施加在器件的控制端，则器件处于开通状态。在本发明的实施例中，术语“常闭型器件”指的是不具有初始导电沟道的器件，若无正向电压施加在器件的控制端，则器件处于关断状态。
22.在本发明一实施例中，常通型器件包括jfet，常闭型器件包括mosfet。
23.在本发明一实施例中，常通型器件包括高压器件，其通常可承受几百至几千伏的电压；常闭型器件包括低压器件，其通常可承受几十伏的电压。
24.在一般工作状态下，第二驱动器12控制常闭型器件m1保持在开通状态。当负向电源电压v
neg
、输入电压v
in
以及正向电源电压v
cc
中的任一电压处于欠压状态，第二驱动器12控制常通型器件m1关断。在本发明一实施例中，一般工作状态指无故障发生(如，欠压、与输入断开等故障)。
25.根据pwm信号，第一驱动器11控制常通型器件j1开通和关断。通常，pwm信号由控制器(未示出)提供，用于控制功率器件(如，常通型器件)开通和关断，以从总线电压中获得所需输出电压。当pwm信号为高时，第一驱动器11控制常通型器件j1开通；当pwm信号为低时，第一驱动器11控制常通型器件j1关断。通过在控制端(如，栅极)施加相对于其源极或第二端s为负的电压，控制常通型器件j1关断。例如，当第一驱动器11将常通型器件j1的控制端(如，栅极)耦接至负向电源电压v
neg
时，常通型器件j1关断。当在控制端(栅极)未施加相对于其源极或第二端s为负的电压时，常通型器件j1开通(如，使栅极处于空闲状态)。例如，通过将控制端(如，栅极)和第二端s耦接，使常通型器件j1开通。
26.在本发明一实施例中，通过在控制端(如，栅极)施加相对于源极或第二端s为正的电压，控制常闭型器件m1开通。例如，第二驱动器12将常闭型器件m1的控制端(如，栅极)耦接至正向电源电压v
cc
以开通常闭型器件m1。当控制端(栅极)未施加相对于其源极或第二端s为正的电压时，常闭型器件m1关断。例如，通过将控制端(如，栅极)和第二端s耦接，常闭型器件m1关断。
27.图3示出了根据本发明一实施例的包含第一驱动器11具体电路配置的栅极驱动器300。在图3的示例中，第一驱动器11包括：第一开关s1，将常通型器件j1的控制端耦接至负向电源电压v
neg
；以及第二开关s2，将常通型器件j1的控制端耦接至第二端s。
28.在本发明的一实施例中，当pwm信号为高时，第一开关s1关断，第二开关s2开通，将常通型器件j1的控制端耦接至第二端s。当pwm信号为低时，第一开关s1开通，第二开关s2关断，将常通型器件j1的控制端耦接至负向电源电压v
neg
。
29.图4示出了根据本发明一实施例的具有第一驱动器11具体电路配置的栅极驱动器
400。图4中的第一驱动器11与图3中的第一驱动器11类似。区别在于，在图4的示例中，第一驱动器11还包括：电流源is，在常通型器件j1开通后，持续地给常通型器件j1的控制端提供电流，直到常通型器件j1关断。
30.在本发明的一实施例中，常通型器件j1开通后表示常通型器件j1完全开通。
31.图5示出了根据本发明一实施例的栅极驱动器500。在图5的示例中，栅极驱动器500用于驱动半桥电路501。半桥电路501包括：第一功率器件51，包括第一常通型器件j1和常闭型器件m1，耦接在第一端d和第二端s之间；以及第二功率器件52，包括第二常通型器件j2，耦接在第二端s和参考地gnd之间。栅极驱动器500包括：第一驱动器11，用于接收pwm信号并驱动第一常通型器件j1；第二驱动器12，用于驱动常闭型器件m1；以及第三驱动器15，用于接收pwm信号，并驱动第二常通型器件j2。
32.在本发明的一实施例中，半桥电路501将总线电压转换为输出电压，其中总线电压由前级电路提供(未示出)。
33.当pwm信号为低时，第一驱动器11将常通型器件j1的控制端耦接至第一负向电源电压v
neg1
，以控制第一常通型器件j1关断。同时第三驱动器15将第二常通型器件j2的控制端耦接至参考地gnd，以控制第二常通型器件j2开通。当pwm信号为高时，第一驱动器11将常通型器件j1的控制端耦接至第二端s，以控制第一常通型器件j1开通；以及第三驱动器15将第二常通型器件的控制端耦接至第二负向电源电压v
neg2
，以控制第二常通型器件j2关断。
34.在图5的示例中，栅极驱动器500还包括：欠压检测器13，用于检测第一负向电源电压v
neg1
、输入电压v
in
以及第二驱动器12的正向电源电压v
cc
的负压状态。当第一负向电源电压v
neg1
、输入电压v
in
以及正向电源电压v
cc
中的任一电压处于欠压状态，控制常闭型器件m1关断。
35.在图5的示例中，栅极驱动器500还包括转换电路14。转换电路14将输入电源电压v
in
转换为正向电源电压v
cc
(例如，转换电路14可包括低压差线性稳压器，以实现转换功能)。转换电路14还将输入电源电压v
in
转换为第一负向电源电压v
neg1
(例如，转换电路14可包括第一电荷泵，以实现转换功能)。转换电路14还将输入电源电压v
in
转换为第二负向电源电压v
neg2
(例如，转换电路14可包括第二电荷泵，以实现转换功能)。
36.图6示出了根据本发明一实施例的包含第一驱动器11和第三驱动器15具体电路配置的栅极驱动器600。在图6的示例中，第一驱动器11包括：第一开关s1，将第一常通型器件j1的控制端耦接至第一负向电源电压v
neg1
；以及第二开关s2，将第一常通型器件j1的控制端耦接至第二端s。
37.在图6的示例中，第一驱动器11还包括：第一电流源i
s1
，用于在常通型器件j1完全开通后，持续地给常通型器件j1的控制端提供电流，直到常通型器件j1关断。
38.在图6的示例中，第三驱动器15包括：第三开关s3，将第二常通型器件j2的控制端耦接至第二负向电源电压v
neg2
；以及第四开关s4，将第二常通型器件j2的控制端耦接至参考地gnd。
39.在图6的示例中，第三驱动器15还包括：第二电流源i
s2
，用于在第二常通型器件j2完全开通后，持续地给第二常通型器件j2的控制端提供电流，直到第二常通型器件j2关断。
40.在图6的示例中，第一驱动器11包括第一电流源i
s1
，第三驱动器15包括第二电流源i
s2
。然而本领域的技术人员应当理解，如图3的示例所示，栅极驱动器600中的第一驱动器11
可不包括第一电流源i
s1
，栅极驱动器600中的第三驱动器15也可不包括第二电流源i
s2
。
41.图7示出了根据本发明一实施例的驱动方法的流程示意图700。方法包括：
42.步骤701，根据pwm信号控制常通型器件在开通和关断状态间切换，通过将常通型器件的控制端耦接至负向电源电压，控制常通型器件关断。
43.步骤702，通过将常闭型器件的控制端耦接至正向电源电压，控制常闭型器件保持在开通状态，常通型器件与常闭型器件串联耦接。
44.步骤703，检测负向电源电压或正向电源电压的欠压状态，若负向电源电压或正向电源电压的任一电压处于欠压状态，进入步骤704。
45.步骤704，关断常闭型器件。
46.在本发明的实施例中，当pwm信号为高时，控制常通型器件开通；当pwm信号为低时，控制常通型器件关断。
47.在一实施例中，负向电源电压和正向电源电压都由输入电源电压转换而来。
48.在一实施例中，驱动方法还包括：检测输入电源电压是否处于欠压状态，若输入电源电压处于欠压状态，关断常闭型器件。
49.前述各实施例中的栅极驱动器直接作用于常通型器件的控制端，提高了开关性能并减小了开通电阻。在一般工作情况下，常闭型器件完全开通。当检测到欠压状态时，常闭型器件关断。因此，在一般工作情况下，常闭型器件不需承受额外的电压应力。除此之外，该半桥电路只需要一个常闭型器件，这可减少成本并提高开关性能。
50.虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种栅极驱动器，用于驱动功率器件，所述功率器件包括串联耦接于第一端和第二端之间的常通型器件和常闭型器件，所述栅极驱动器包括：第一驱动器，接收pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)信号，并驱动常通型器件；第二驱动器，驱动常闭型器件；以及欠压检测器，检测第一驱动器的负向电源电压、第二驱动器的正向电源电压以及输入电源电压的欠压状态，其中若负向电源电压、输入电源电压或正向电源电压中的任一电压处于欠压状态，第二驱动器控制常闭型器件关断。2.如权利要求1所述的栅极驱动器，其中第一驱动器包括：第一开关，当pwm信号为低时，将常通型器件的控制端耦接至负向电源电压；以及第二开关，当pwm信号为高时，将常通型器件的控制端耦接至第二端。3.如权利要求2所述的栅极驱动器，其中第一驱动器还包括：电流源，当常通型器件完全开通时，持续地给常通型器件的控制端提供电流。4.如权利要求1所述的栅极驱动器，其中：在一般工作情况下，第二驱动器控制常闭型器件维持在开通状态。5.如权利要求1所述的栅极驱动器，其中：常通型器件，具有控制端和源端，其中当常通型器件的控制端耦接至负向电源电压时，常通型器件关断。6.如权利要求1所述的栅极驱动器，其中：常闭型器件，具有控制端和源端，其中当常闭型器件的控制端耦接至正向电源电压时，常闭型器件开通。7.如权利要求1所述的栅极驱动器，还包括：转换电路，将输入电源电压转换为正向电源电压和负向电源电压。8.如权利要求1所述的栅极驱动器，其中：常通型器件包括高压jfet；以及常闭型器件包括低压mosfet。9.一种栅极驱动器，用于驱动包括高侧功率器件及低侧功率器件的半桥电路，其中所述高侧功率器件包括串联耦接在第一端和第二端之间的第一常通型器件和常闭型器件，所述低侧功率器件包括耦接至第二端和参考地之间的第二常通型器件，所述栅极驱动器包括：第一驱动器，接收pwm信号，并驱动第一常通型器件；第二驱动器，驱动常闭型器件；第三驱动器，接收pwm信号，并驱动第二常通型器件；以及欠压检测器，检测第一驱动器的负向电源电压、输入电源电压以及第二驱动器的正向电源电压的欠压状态，其中负向电源电压、输入电源电压和正向电源电压中的任一电压处于欠压状态，第二驱动器控制常闭型器件关断。10.如权利要求9所述的栅极驱动器，其中：当pwm信号为高时，第一驱动器控制第一常通型器件开通，并且第三驱动器控制第二常通型器件关断；以及
当pwm信号为低时，第一驱动器控制第一常通型器件关断，并且第三驱动器控制第二常通型器件开通。11.如权利要求9所述的栅极驱动器，其中：在一般工作状态下，第二驱动器控制常闭型器件保持在开通状态。12.如权利要求9所述的栅极驱动器，其中第一驱动器包括：第一开关，当pwm信号为低时，将第一常通型器件的控制端耦接至负向电源电压；以及第二开关，当pwm信号为高时，将第一常通型器件的控制端耦接至第二端。13.如权利要求12所述的栅极驱动器，其中第一驱动器还包括：电流源，当第一常通型器件完全开通时，持续地给第一常通型器件的控制端提供电流。14.如权利要求9所述的栅极驱动器，其中第三驱动器包括：第三开关，将第二常通型器件的控制端耦接至第二负向电源电压；以及第四开关，将第二常通型器件的控制端拉至参考地。15.如权利要求14所述的栅极驱动器，其中第三驱动器还包括：电流源，当第二常通型器件完全开通时，持续地给第二常通型器件的控制端提供电流。16.一种驱动方法，包括：根据pwm信号控制常通型器件在开通和关断状态间切换，通过将常通型器件的控制端连接耦接至负向电源电压，控制常通型器件关断；通过将常闭型器件的控制端耦接至正向电源电压，控制常闭型器件维持在开通状态，所述常通型器件与常闭型器件串联耦接；以及检测负向电源电压和正向电源电压是否处于欠压状态：若负向电源电压和正向电源电压中任一电压处于欠压状态，关断常闭型器件。17.如权利要求16所述的驱动方法，其中：负向电源电压和正向电源电压均由输入电源电压转换而来。18.如权利要求17所述的驱动方法，还包括：检测输入电源电压是否处于欠压状态，若输入电源电压处于欠压状态，关断常闭型器件。

技术总结
公开了一种栅极驱动器，用于驱动常通型器件和常闭型器件，所述常通型器件与常闭型器件串联耦接。栅极驱动器包括第一驱动器、第二驱动器和欠压检测器。第一驱动器根据PWM信号控制常通型器件，在正常工作状态下控制常闭型器件维持在开通状态。第二驱动器用于控制常闭型器件。若用于第一驱动器的负向电源电压、第二驱动器的正向电源电压以及输入电源电压中的任一电压被检测到处于欠压状态，第二驱动器控制常闭型器件关断。该栅极驱动器可提高开关性能并减小开通电阻，同时可避免常闭型器件承受较高电压应力。较高电压应力。较高电压应力。


技术研发人员：韩笛 姜剑
受保护的技术使用者：成都芯源系统有限公司
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/10/7