專利名稱：功率三極管驅(qū)動電路和驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種功率三極管驅(qū)動電路和驅(qū)動方法。
背景技術(shù)：
目前的電源轉(zhuǎn)換器大致可劃分為線形變換器和開關(guān)變換器兩種。與線性變換器相 比，開關(guān)變換器以其高效率、小體積、較輕的重量等優(yōu)勢目前占據(jù)絕對的主導地位。而作為 開關(guān)變換器核心部分之一的開關(guān)管通常會選用功率晶體管。功率晶體管大致可分為場效應 晶體管、雙極型晶體管以及絕緣柵極晶體管。在小功率電源轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，由于雙極型晶體管 良好的開關(guān)特性和低廉的價格等優(yōu)勢，也被廣泛的使用。如圖1所示，為傳統(tǒng)開關(guān)電源適配器解決方案的電路圖。在現(xiàn)有傳統(tǒng)方案中，一般 采用功率MOSFET作為主邊的開關(guān)控制器件。相對于功率三極管而言，功率MOSFET具有較 快的開關(guān)速度和較低的導通損耗。但是，較快的開關(guān)速度會導致較大的開關(guān)噪聲，同時在小 功率應用領(lǐng)域，功率三極管相對低廉的價格亦使其極具誘惑力。與傳統(tǒng)功率MOSFET開關(guān) 的電壓型驅(qū)動不同的是，功率三極管需要電流型的驅(qū)動方式以提供足夠的基極電流用以放 大。因此，在傳統(tǒng)方案中，一般會對傳統(tǒng)的推挽驅(qū)動器做相應的優(yōu)化以適應功率三極管的驅(qū) 動需要。以下對功率三極管的驅(qū)動過程進行簡單介紹。如圖2所示，為傳統(tǒng)的功率三極管 驅(qū)動電路示意圖。如圖2所示，如果要使用傳統(tǒng)的推挽驅(qū)動器用以驅(qū)動功率三極管Ql，則需 增加一些外圍元器件以保證功率三極管Ql正常開關(guān)動作。其中，功率三極管Ql的基極與 Rl相連，功率三極管Ql的集電極與HVDC(高壓直流輸電)相連，功率三極管Ql的發(fā)射極通 過電阻接地，Rl可在功率三極管開通期間提供合適的基極電流以保證功率三極管Ql工作 在飽和區(qū)。同時，為了保證功率三極管Ql能夠迅速關(guān)閉，二極管Dl ( 一般采用肖特基二極 管)和電容Cl用于快速抽取開通期間儲存在功率三極管Ql基區(qū)的少數(shù)載流子?，F(xiàn)有技術(shù)存在的缺點是，由于現(xiàn)有技術(shù)中增加了一些器件如電容Cl和二極管Dl 等，因此不可避免的帶來了成本上的增加，削弱了功率三極管的成本優(yōu)勢，給功率三極管在 電源轉(zhuǎn)換方面的應用帶來了困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是解決現(xiàn)有技術(shù)中功率三極 管驅(qū)動電路成本高的問題。為達到上述目的，本發(fā)明一方面提出一種功率三極管驅(qū)動電路，包括串聯(lián)的恒流 源驅(qū)動模塊和關(guān)閉模塊，功率三極管的基極連接在所述恒流源驅(qū)動模塊和關(guān)閉模塊之間； 且在所述恒流源驅(qū)動模塊中有恒流源，以在開啟所述功率三極管時為所述功率三極管的基 極提供恒定的基極電流，所述關(guān)閉模塊接地，以在關(guān)閉所述功率三極管時將所述功率三極 管的基極短路。本發(fā)明另一方面還提出一種驅(qū)動方法，功率三極管驅(qū)動電路包括串聯(lián)的恒流源驅(qū)動模塊和關(guān)閉模塊，所述功率三極管的基極連接在所述恒流源驅(qū)動模塊和關(guān)閉模塊之間， 所述方法包括以下步驟在開啟所述功率三極管時，開啟所述恒流源驅(qū)動模塊并關(guān)閉所述 關(guān)閉模塊，以使所述恒流源驅(qū)動模塊中的恒流源為功率三極管的基極提供恒定的基極電 流；在關(guān)閉所述功率三極管時，關(guān)閉所述恒流源驅(qū)動模塊并開啟所述關(guān)閉模塊，以通過所述 關(guān)閉模塊將所述功率三極管的基極短路。通過本發(fā)明提出的新型功率三極管驅(qū)動電路，無需增加任何外圍元器件就可直接 驅(qū)動功率三極管，節(jié)省了成本，提高了功率三極管的應用范圍。并且本發(fā)明在提升功率三極 管的開關(guān)速度的同時也降低了開關(guān)損耗。另外本發(fā)明獨特的恒流源驅(qū)動模塊以及關(guān)閉模塊 可利用功率三極管的最高耐壓特性以保證功率三極管在開關(guān)期間的安全。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變 得明顯和容易理解，其中圖1為傳統(tǒng)開關(guān)電源適配器解決方案的電路圖；圖2為傳統(tǒng)的功率三極管驅(qū)動電路示意圖；圖3為本發(fā)明實施例一的功率三極管驅(qū)動電路的示意圖；圖4為本發(fā)明實施例二的功率三極管驅(qū)動電路示意圖；圖5為本發(fā)明實施例三的功率三極管驅(qū)動電路示意圖；圖6為本發(fā)明實施例四的功率三極管驅(qū)動電路示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。本發(fā)明主要在于，根據(jù)功率三極管的開關(guān)特性及其所需的驅(qū)動電路特點，結(jié)合 CMOS高壓工藝特點，采用恒流開通配合大電流關(guān)閉電路，用以提升功率三極管的開關(guān)速度 同時降低驅(qū)動電路的成本。具體地，在開啟功率三極管時，由恒流源驅(qū)動模塊中的恒流源 為功率三極管提供恒定的基極電流，以保證功率三極管在開通期間迅速進入飽和區(qū)，用以 最大限度的降低開通損耗；并且本發(fā)明在關(guān)閉功率三極管時，使功率三極管基極與發(fā)射極 之間接近短路(電阻R2通常取值很小)，可以保證功率三極管開通期間存儲在基區(qū)的少數(shù) 載流子迅速復合以減小功率三極管的存儲時間和關(guān)閉時間，用以降低功率三極管的關(guān)斷損如圖3所示，為本發(fā)明實施例一的功率三極管驅(qū)動電路的示意圖，為了清楚的目 的，在該示意圖中也示出了功率三極管，及功率三極管發(fā)射極和集電極的連接，但需要說明 的是功率三極管是不在本發(fā)明提出的驅(qū)動電路內(nèi)的，其發(fā)射極和集電極的連接方式也是可 以變化的，這些變化均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。如圖3所示，功率三極管Ql的集 電極與HVDC(高壓直流輸電)相連，功率三極管Ql的發(fā)射極通過電阻R2接地。該功率三極管Ql的驅(qū)動電路包括串聯(lián)的恒流源驅(qū)動模塊和關(guān)閉模塊，功率三極管Ql的基極連接在 恒流源驅(qū)動模塊和關(guān)閉模塊之間，且在恒流源驅(qū)動模塊中有恒流源，以在開啟功率三極管 Ql時為功率三極管Ql的基極提供恒定的基極電流，從而使得功率三極管Ql在開通期間迅 速地進入飽和區(qū)，用以最大限度的降低開通損耗，提高開關(guān)速度。而關(guān)閉模塊接地，以在關(guān) 閉功率三極管Ql時將功率三極管的基極短路，通過使功率三極管Ql的基極和發(fā)射極之間 接近短路(電阻R2通常取值很小)，可以保證功率三極管Ql開通期間存儲在功率三極管 Ql基區(qū)的少數(shù)載流子迅速復合以減小功率三極管Ql的存儲時間和關(guān)閉時間，用以降低功 率三極管Ql的關(guān)斷損耗。驅(qū)動該功率三極管Ql的方法是，在開啟功率三極管Ql時，開啟恒流源驅(qū)動模塊并 將關(guān)閉模塊關(guān)閉，以使恒流源驅(qū)動模塊中的恒流源為功率三極管Ql的基極提供恒定的基 極電流。在關(guān)閉功率三極管Ql時，關(guān)閉恒流源驅(qū)動模塊并開啟關(guān)閉模塊，以通過關(guān)閉模塊 將功率三極管Ql的基極短路。需要說明的是，上述實施例為本發(fā)明的基本原理圖，其中的恒流源驅(qū)動模塊和關(guān) 閉模塊可通過多種電路方式實現(xiàn)，為了對本發(fā)明有更清楚的理解，以下就將采用具體實施 例的方式對恒流源驅(qū)動模塊和關(guān)閉模塊進行說明，但這些實施例僅是實現(xiàn)恒流源驅(qū)動模塊 和關(guān)閉模塊的一種或幾種方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)本發(fā)明的思想在以下實施例的基 礎(chǔ)上做出等同的修改或變化，這些等同的修改或變化均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。如圖4所示，為本發(fā)明實施例二的功率三極管驅(qū)動電路示意圖。在該實施例中，恒 流源驅(qū)動模塊包括串聯(lián)的第一恒流源Il和第一開關(guān)Si，關(guān)閉模塊包括第二開關(guān)S2，第一開 關(guān)Sl和第二開關(guān)S2串聯(lián)，功率三極管Ql的基極連接在第一開關(guān)Sl和第二開關(guān)S2之間， 且第二開關(guān)S2接地。在開啟功率三極管Ql時，第一開關(guān)Sl閉合同時第二開關(guān)S2斷開，由 恒流源電路Il為其提供恒定的基極電流，以保證功率三極管Ql在開通期間迅速進入飽和 區(qū)，用以最大限度的降低開通損耗。在關(guān)閉功率三極管Ql時，第二開關(guān)S2閉合同時第一 開關(guān)Sl斷開，此時功率三極管Ql基極與發(fā)射極之間接近短路(電阻R2通常取值很小)， 可以保證功率三極管Ql開通期間存儲在基區(qū)的少數(shù)載流子迅速復合以減小功率三極管Ql 的存儲時間和關(guān)閉時間，用以降低功率三極管Ql的關(guān)斷損耗。另一方面，功率三極管Ql的 耐壓與關(guān)閉期間基極與發(fā)射極間的電阻有關(guān)，通常而言，功率三極管Ql基極與發(fā)射極之間 的阻抗越小，功率三極管Ql集電極與發(fā)射極之間的耐壓也就越高。有如下關(guān)系式V(CE0) < V(CER) < V(CES) V(CBO)。其中，V(CEO)為當功率三極管Ql基極懸空時，功率三極管 Ql集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓；V(CER)為當功率三極管Ql基極與發(fā)射極之間電 阻為R時，功率三極管Ql集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓；V(CES)為當功率三極管Ql 基極與發(fā)射極短接時，功率三極管Ql集電極與發(fā)射極之間的反向擊穿電壓；V(CBO)為當功 率三極管Ql發(fā)射極懸空時，功率三極管Ql集電極與基極之間的反向擊穿電壓。在開關(guān)電源的實際應用中，最大程度的使用三極管最高的V(CBO)耐壓值可以在 提高安全性的前提下大大降低成本。因此，減小關(guān)閉期間功率三極管Ql基極與發(fā)射極之間 的電阻可大大提升功率三極管Ql的耐壓值以保證開關(guān)期間的安全。如圖5所示，為本發(fā)明實施例三的功率三極管驅(qū)動電路示意圖。在開關(guān)電源應用 中，開關(guān)電源控制芯片通常采用CMOS工藝實現(xiàn)，由于芯片需要在較寬的電壓范圍內(nèi)正常工 作(通常為6V 30V)，因此需要采用高壓CMOS工藝實現(xiàn)。在高壓CMOS工藝中，為了提高
6器件的耐壓值，通常需要增大MOSFET的尺寸并且對漏端或源漏兩端同時進行淺摻雜，這樣 勢必會導致器件的內(nèi)阻增大。因此為了解決該問題，本發(fā)明提出了實施例三，如圖5所示， 恒流源驅(qū)動模塊包括由第一 PMOS管Ml和第二 PMOS管M2組成的第一電流鏡，以及控制該 第一電流鏡的第三開關(guān)S3和為第一電流鏡供電的第二恒流源12，關(guān)閉模塊包括第一 NMOS 管M3。當開啟功率三極管Ql時，打開第三開關(guān)S3并關(guān)閉第一 NMOS管M3，第二恒流源12 通過第一 PMOS管Ml和第二 PMOS管M2組成的第一電流鏡被鏡像放大輸出為功率三極管Ql 提供基極電流。同時，當關(guān)閉功率三極管Ql時，關(guān)閉第三開關(guān)S3并開啟第一 NMOS管M3，使 得第一 NMOS管M3導通保證功率三極管Ql基極與發(fā)射極間的低阻抗。但是，在該實施例中由于第二 PMOS管M2為PM0S，因此在其導通期間，如果功率三 極管Ql未接入就已損壞或者是在芯片測試時，輸出(OUT)端電壓將達到電源電壓，此時第 一 NMOS管M3必須具備一定的耐高壓能力才能保證不會損壞。如前面所述，如果第一 NMOS 管M3采用高壓管，則為達到較小的內(nèi)阻，需要使用很大的芯片面積(通常為同樣內(nèi)阻低壓 器件的20 30倍)。為了克服上述實施例三的缺點，本發(fā)明還提出了優(yōu)選的實施例四，如圖6所示，為 本發(fā)明實施例四的功率三極管驅(qū)動電路示意圖。在該實施例中，恒流源驅(qū)動模塊包括由第二 NMOS管Ml和第三NMOS管M2組成的 第二電流鏡，控制第二電流鏡的第四NMOS管M4和為第二電流鏡供電的第三恒流源13，關(guān)閉 模塊包括第五NMOS管M3，其中，第四NMOS管M4和第五NMOS管M3的柵極由控制單元控制， 控制單元分別與恒流源驅(qū)動模塊和關(guān)閉模塊相連，該控制單元控制恒流源驅(qū)動模塊和關(guān)閉 模塊的開啟和關(guān)閉。從上可以看出，本實施例將圖5中的M1、M2由PMOS管改為NMOS管，第 三NMOS管M2以源端跟隨器形式連接。在開啟功率三極管Ql時，控制單元關(guān)閉第四NMOS 管M4和第五NMOS管M3，這樣就使得第二 NMOS管Ml和第三NMOS管M2開啟，從而通過第 三NMOS管M2管為功率三極管Ql提供恒定的電流輸出。在關(guān)閉功率三極管Ql時，控制單 元先開啟第四NMOS管M4，將Ml、M2管的柵極電壓拉低至地電位，用以關(guān)閉恒流源，并在超 過預定的時間之后開啟第五NMOS管M3，從而關(guān)閉功率三極管Q1。在本實施例中，由于此時 第五NMOS管M3采用低壓工藝實現(xiàn)，因此可以很輕易的在較小的面積下實現(xiàn)很低的導通內(nèi) 阻以滿足設(shè)計要求。優(yōu)選地，在該實施例中還包括連接在第二 NMOS管Ml和地之間的箝位 電壓源VI，通過設(shè)置電壓源Vl的電壓值可以確保輸出端子OUT的電壓不會超過電壓Vl同 時用以確定輸出電流，用以保證第五NMOS管M3采用低壓MOSFET時亦處于安全狀態(tài)。優(yōu)選 地，還包括連接在控制單元和第五NMOS管的柵極之間的死區(qū)時間控制模塊，該死區(qū)時間控 制模塊具有可預設(shè)的延遲時間，死區(qū)時間控制模塊在超過預定的延遲時間后將控制信號發(fā) 送到第五NMOS管M3的柵極，開啟第五NMOS管M3。通過本發(fā)明提出的新型功率三極管驅(qū)動電路，無需增加任何外圍元器件就可直接 驅(qū)動功率三極管，節(jié)省了成本，提高了功率三極管的應用范圍。并且本發(fā)明在提升功率三極 管的開關(guān)速度的同時也降低了開關(guān)損耗。另外本發(fā)明獨特的恒流源驅(qū)動模塊以及關(guān)閉模塊 可利用功率三極管的最高耐壓特性以保證功率三極管在開關(guān)期間的安全。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以 理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換 和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
1.一種功率三極管驅(qū)動電路，其特征在于，包括串聯(lián)的恒流源驅(qū)動模塊和關(guān)閉模塊，功率三極管的基極連接在所述恒流源驅(qū)動模塊和 關(guān)閉模塊之間；且在所述恒流源驅(qū)動模塊中有恒流源，以在開啟所述功率三極管時為所述 功率三極管的基極提供恒定的基極電流，所述關(guān)閉模塊接地，以在關(guān)閉所述功率三極管時 將所述功率三極管的基極短路。
2.如權(quán)利要求1所述的功率三極管驅(qū)動電路，其特征在于，所述恒流源驅(qū)動模塊包括 串聯(lián)的第一恒流源和第一開關(guān)，所述關(guān)閉模塊包括第二開關(guān)，所述第一開關(guān) 和所述第二開 關(guān)串聯(lián)，所述功率三極管的基極連接在所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)之間，且所述第二開 關(guān)接地。
3.如權(quán)利要求1所述的功率三極管驅(qū)動電路，其特征在于，所述恒流源驅(qū)動模塊包括 由第一 PMOS管和第二 PMOS管組成的第一電流鏡，控制所述第一電流鏡的第三開關(guān)和為所 述第一電流鏡供電的第二恒流源；所述關(guān)閉模塊包括連接在所述功率三極管基極和地之間 的第一 NMOS管。
4.如權(quán)利要求1所述的功率三極管驅(qū)動電路，其特征在于，還包括分別與所述恒流源 驅(qū)動模塊和所述關(guān)閉模塊相連的所述控制單元，所述控制單元控制所述恒流源驅(qū)動模塊和 所述關(guān)閉模塊的開啟和關(guān)閉。
5.如權(quán)利要求4所述的功率三極管驅(qū)動電路，其特征在于，所述恒流源驅(qū)動模塊包括 由第二 NMOS管和第三NMOS管組成的第二電流鏡，控制所述第二電流鏡的第四NMOS管和為 所述第二電流鏡供電的第三恒流源；所述關(guān)閉模塊包括第五NMOS管；其中，所述第四NMOS 管和第五NMOS管的柵極由控制單元控制。
6.如權(quán)利要求5所述的功率三極管驅(qū)動電路，其特征在于，還包括連接在所述第二 NMOS管和地之間的箝位電壓源，用于箝位所述功率三極管的基極，使所述基極不超過所述 箝位電壓源的電壓。
7.如權(quán)利要求5所述的功率三極管驅(qū)動電路，其特征在于，還包括連接在所述控制單 元和所述第五NMOS管的柵極之間的死區(qū)時間控制模塊，所述死區(qū)時間控制模塊具有可預 設(shè)的延遲時間，所述死區(qū)時間控制模塊在超過所述延遲時間后，將從所述控制單元接收的 控制信號發(fā)送到所述第五NMOS管的柵極。
8.—種驅(qū)動方法，其特征在于，功率三極管驅(qū)動電路包括串聯(lián)的恒流源驅(qū)動模塊和關(guān) 閉模塊，所述功率三極管的基極連接在所述恒流源驅(qū)動模塊和關(guān)閉模塊之間，所述方法包 括以下步驟在開啟所述功率三極管時，開啟所述恒流源驅(qū)動模塊并關(guān)閉所述關(guān)閉模塊，以使所述 恒流源驅(qū)動模塊中的恒流源為功率三極管的基極提供恒定的基極電流；在關(guān)閉所述功率三極管時，關(guān)閉所述恒流源驅(qū)動模塊并開啟所述關(guān)閉模塊，以通過所 述關(guān)閉模塊將所述功率三極管的基極短路。
9.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動方法，其特征在于，所述恒流源驅(qū)動模塊包括串聯(lián)的第一 恒流源和第一開關(guān)，所述關(guān)閉模塊包括第二開關(guān)，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)串聯(lián)，所述 功率三極管的基極連接在所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)之間，且所述第二開關(guān)接地，在開 啟所述功率三極管時，開啟所述第一開關(guān)并關(guān)閉所述第二開關(guān)；在關(guān)閉所述功率三極管時， 關(guān)閉所述第一開關(guān)并開啟所述第二開關(guān)。
10.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動方法，其特征在于，所述恒流源驅(qū)動模塊包括由第一PMOS 管和第二 PMOS管組成的第一電流鏡，控制所述第一電流鏡的第三開關(guān)和為所述第一電流 鏡供電的第二恒流源，所述關(guān)閉模塊包括連接在所述功率三極管基極和地之間的第一 NMOS 管，在開啟所述功率三極管時，所述控制單元關(guān)閉所述第四NMOS管和所述第五NMOS管；在 關(guān)閉所述功率三極管時，所述控制單元首先開啟所述第四NMOS管，并在超過預定時間后開 啟所述第五NMOS管。
11.如權(quán)利要求8所述的驅(qū)動方法，其特征在于，還包括分別與所述恒流源驅(qū)動模塊和 所述關(guān)閉模塊相連的所述控制單元，所述控制單元控制所述恒流源驅(qū)動模塊和所述關(guān)閉模 塊的開啟和關(guān)閉，其中，所述恒流源驅(qū)動模塊包括由第二 NMOS管和第三NMOS管組成的第二 電流鏡，控制所述第二電流鏡的第四NMOS管和為所述第二電流鏡供電的第三恒流源，所述 關(guān)閉模塊包括第五NMOS管，其中，所述第四NMOS管和第五NMOS管的柵極由控制單元控制。
12.如權(quán)利要求11所述的驅(qū)動方法，其特征在于，所述功率三極管驅(qū)動電路還包括連 接在所述第二 NMOS管和地之間的箝位電壓源，用于箝位所述功率三極管的基極，使所述基 極不超過所述箝位電壓源的電壓。
13.如權(quán)利要求11所述的驅(qū)動方法，其特征在于，所述功率三極管驅(qū)動電路還包括連 接在所述控制單元和所述第五NMOS管的柵極之間的死區(qū)時間控制模塊，所述死區(qū)時間控 制模塊具有可預設(shè)的延遲時間，在超過所述延遲時間后，將從所述控制單元接收的控制信 號發(fā)送到所述第五NMOS管的柵極。
全文摘要
本發(fā)明提出一種功率三極管驅(qū)動電路，包括串聯(lián)的恒流源驅(qū)動模塊和關(guān)閉模塊，功率三極管的基極連接在所述恒流源驅(qū)動模塊和關(guān)閉模塊之間；且在所述恒流源驅(qū)動模塊中有恒流源，以在開啟所述功率三極管時為所述功率三極管的基極提供恒定的基極電流，所述關(guān)閉模塊接地，以在關(guān)閉所述功率三極管時將所述功率三極管的基極短路。通過本發(fā)明提出的新型功率三極管驅(qū)動電路，無需增加任何外圍元器件就可直接驅(qū)動功率三極管，節(jié)省了成本，提高了功率三極管的應用范圍。
文檔編號H03K19/0175GK102006052SQ20091017005
公開日2011年4月6日 申請日期2009年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月1日
發(fā)明者徐文輝, 楊小華 申請人:比亞迪股份有限公司