用于P沟道MOSFET的驱动器的制作方法

本发明涉及一种用于驱动P沟道MOSFET的驱动器电路，包括：用于接收DC电源(supply)电压的电源输入；用于接收用于控制P沟道MOSFET的开关的控制信号的控制输入；以及用于连接P沟道MOSFET的栅极的驱动输出，其中所述驱动器电路适合于依赖于在控制输入处接收的控制信号来生成驱动信号，并且还适合于在驱动输出处提供驱动信号。本发明进一步涉及用于驱动P沟道MOSFET的对应方法。
背景技术：
：电子可控开关，或简称“开关”，诸如晶体管、其变形和包括这些装置中的一个或多个的电路，广泛用于许多不同的应用中。重要的示例是开关功率供应(powersupply)，其中经常使用MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)作为功率开关。存在两种主要类型的MOSFET：P沟道MOSFET和N沟道MOSFET。两种类型针对适当的功能需要不同的电压控制信号。通常由控制器来提供用于控制这样的MOSFET的开关的信号，并且使用驱动器电路(在下文中也简短地被指定为“驱动器”)来将从控制器接收的控制信号转换为用于适当地驱动MOSFET的驱动信号。这是必要的，因为由控制器提供的控制信号的特性，特别是提供的电压电平，通常与所使用的特定类型MOSFET的要求不匹配。在P沟道MOSFET的情况下，驱动器必须施加负电压到MOSFET的栅极-源极结以接通MOSFET，其中负电压必须在特定MOSFET的阈值电压以下。为了关断MOSFET，必须将高于阈值电压的电压施加到MOSFET的栅极-源极结。如果P沟道MOSFET的阈值电压例如为-3伏特，则施加-10伏特的电压到所述MOSFET的栅极-源极结使其接通。然而施加例如-1伏特的电压到所述MOSFET的栅极-源极结使其关断。两种众所周知并广泛使用的P沟道MOSFET驱动器是两级栅极驱动器和AC耦合的栅极驱动器。如名称已经暗示的那样，两级栅极驱动器包括两个不同级用来提供驱动信号，因此它们具有高度复杂性。取决于特定的应用，它们还具有其它缺点诸如例如相对高的功率损耗和/或开关频率限制。AC耦合的栅极驱动器已被提议来减少驱动器的复杂性。电源电压在接通和关断期间通过反相电容器被馈送给栅极，并且在导通状态期间通过电阻器被馈送给栅极。限制包括例如频率和占空比限制(由于耦合电容器在关断期间需要经由高阻抗路径放电)、DC电流电阻器中的高功率损耗、以及对外部栅极-源极电容器的需要。这样的驱动器电路被示出在绘图中并且在以下进一步被描述。这样的AC耦合的驱动器电路易于实现并且节省成本。然而，它们不可避免由于在关断周期期间的电荷位移或电容性耦合而引起的直接在P沟道MOSFET的栅极与源极之间的电压建立。主要的问题来自反相电容器构成在驱动器与P沟道MOSFET的栅极之间的高DC阻抗的事实。这种高DC阻抗是使DC电压能够建立在P沟道MOSFET的栅极中的要素。这样的电压建立可能导致MOSFET的不期望的接通，这又可以导致包括MOSFET的更高级别电路的故障或者甚至损坏。技术实现要素：因此，本发明的目标是创建一种用于驱动属于最初提到的
技术领域：
的P沟道MOSFET的驱动器电路，其增强避免在P沟道MOSFET的栅极与源极之间的这样的不期望的电压建立。本发明的另外的目标是提供包括这样的驱动器电路的驱动器设备、包括这样的驱动器设备的可控开关设备、以及用于驱动P沟道MOSFET的对应方法。在下文中，有时使用更简单的术语MOSFET而不是术语P沟道MOSFET。本发明的解决方案由权利要求1的特征规定。一种用于驱动P沟道MOSFET的驱动器电路包括：电源输入，用于接收DC电源电压以提供必要的能量给驱动器电路的有源部分。驱动器电路进一步包括：用于接收控制信号的控制输入，所述控制信号递送用于控制所述P沟道MOSFET的开关的信息。这样的控制信号通常由一系列的两个不同电压电平组成，其中这些电压电平中的一个意味着MOSFET将被接通，并且另一个电压电平意味着MOSFET将被关断。并且驱动器电路包括：用于连接将被控制的P沟道MOSFET的栅极的驱动输出。驱动器电路由此适合于依赖于在控制输入处接收的控制信号来生成驱动信号，并且还适合于在驱动输出处提供驱动信号。根据本发明，驱动器电路包括关断双极晶体管(在下文中也被指定为关断晶体管或者简单地，晶体管。关断晶体管具有基极、集电极和发射极，其中基极经由反相电容器被连接到驱动器电路的控制输入，所述反相电容器是必要的以提供电压反相。反相电容器进一步提供DC去耦合，使得可以生成对于适当地驱动P沟道MOSFET所需要的正确反相电压电平。集电极被直接连接到电源输入的端子，并且发射极被连接到驱动输出。为了关断MOSFET，关断晶体管有源地(actively)生成关断信号，并将其提供给驱动输出。以这种方式，驱动输出仅仅与驱动器电路的输入AC耦合。当使用根据现有技术的驱动器电路时，在截止周期(off-period)期间，不同于0伏特的恒定电压可以横跨P沟道MOSFET的栅极-源极端子保持或者建立。这可以发生，因为DC耦合电阻器具有太高电阻，其阻止驱动器的放电。该电压的特定电平取决于待驱动的MOSFET以及更高级别电路的不同参数，并且还取决于其它因素。如果剩余电压的电平位于MOSFET的阈值电压之内或附近，则MOSFET的不期望的接通的风险变得更高。现在，如果使用布置在根据本发明的驱动器电路中的双极晶体管，则消除这样的恒定电压。关断双极晶体管有源地对在栅极与源极之间的任何电压建立钳位(clamp)，其可能接通MOSFET。其在接通期间充当高阻抗DC耦合并在关断时充当低阻抗DC耦合。在根据本发明的一个示例中，npn双极晶体管的发射极被连接到待控制的MOSFET的栅极，并且其集电极被连接到电源电压，其基极经由反相电容器被连接到控制输入，并且二极管(优选地，肖特基二极管)被布置基极与发射极之间使得二极管的负极被连接到基极。如果MOSFET被接通，则高的负电平电压将存在其栅极处，因此高的负电平电压被提供给关断双极晶体管的基极。二极管被偏置，并且栅极中的电压变负并且该双极晶体管被反向偏置并保持截止。如果MOSFET应被关断，则低负电平电压应被提供到MOSFET的栅极。在这种情况下，关断晶体管的基极被有源地带到低的负电平，诸如例如地电平电压，因此基极-发射极电流迅速增加晶体管的偏压。二极管被反向偏置并且保持阻塞停止。发射极电压以及随其MOSFET栅极电压也被有源地带到地电平并且MOSFET被关断。如果电压未达到关断电平，或者发射极电压低于双极晶体管的正向偏置电压，则其将保持传导电流直到达到该电平。或者换句话说，在关断周期期间，不存在P沟道MOSFET的栅极与源极之间的电压建立，既不由于电荷位移也不由于电容性耦合或其它原因。根据本发明的驱动器电路因此可避免这样的电压建立，并且在截止周期期间MOSFET的不期望的接通的风险、以及于是更高级别电路的故障或者甚至损坏的风险被显著地减少。当关断晶体管被接通时，电流从其集电极流动到其发射极。由于只有该集电极-发射极电流中的小部分流动到MOSFET的栅极中，因此必须为该电流提供从发射极回到电源输入的电流路径。为这样做，发射极例如可以有利地经由电阻器被连接到地。在本发明的优选实施例中，二极管在传导方向上被从关断晶体管的发射极连接到基极。因此，它的负极被连接到发射极并且它的正极被连接到关断晶体管的基极。该二极管也使能够对MOSFET的栅极-源极电容放电并且阻止从晶体管的基极到发射极的电流流动。一般地，每个pnp双极晶体管可以用作关断双极晶体管。但由于在MOSFET的栅极处的电压降是用于MOSFET阻止漏极源极电流的关键条件，因此该电压降应该尽可能快速地执行。因此，在本发明的优选实施例中，快速开关双极晶体管被用作关断双极晶体管。双极晶体管的开关速度，即其时间常数不仅取决于该晶体管所嵌入的电路元件，诸如例如在晶体管的基极处的输入电阻器，还取决于晶体管其本身的特性，诸如例如它的输入容量和它的输入电阻。关断晶体管的发射极可以被直接连接到MOSFET的栅极。这将工作，如果只有小电流正流动到P沟道MOSFET的栅极中或者从其流动出的话。然而，如果电流变得更高，则MOSFET其本身或连接到它的其他电路的损坏的风险增加。流动到MOSFET的栅极中或者从其流动出的电流有利地通过任何合适的器件(诸如例如，热敏电阻器、恒流二极管等)来限制。用来限制电流的最简单以及因此优选的方式是电阻器。因此，关断晶体管的发射极经由限流电阻器被连接到驱动输出，即被连接到MOSFET的栅极。该电阻器限制流动到P沟道MOSFET的栅极中或者从其流动出的电流，由此高效地保护电路。该限流电阻器还可以影响电路的其它参数，诸如例如MOSFET其本身的开关速度、以及于是电路EMC特性。代替限流电阻器或者除了限流电阻器之外，其他元件像例如电阻器、电容和/或感应性物(inductivity)可以被连接在MOSFET的栅极与晶体管的发射极之间。例如，电容可以被与限流电阻器串联或并联连接。取决于从控制器接收的控制信号的特性，特别是其电压电平，该控制信号可以直接用于被连接到关断晶体管的基极以生成在驱动输出处提供的控制信号。然而，从控制器接收到的控制信号的特性通常与关于必须被提供在驱动输出处以驱动MOSFET的信号的要求不匹配。例如，来自控制器的控制信号的电压电平可以太低或太高。或者提供的电流电平高于或低于所要求的。控制器经常递送具有逻辑电路的电压和/或电流电平的控制信号，所述电压和/或电流电平通常太低而无法直接使用其作为驱动信号。在本发明的优选实施例中，放大器，特别是电流放大器因此被连接到驱动电路的控制输入用于放大从控制器接收的控制信号，并提供经放大的控制信号给经由反相电容器被连接到电流放大器的输出的关断晶体管的基极。不同类型的电流放大器对于技术人员是已知的，并且可以用于放大控制信号。在本发明的优选实施例中，放大器包括：用其集电极连接到电源输入的电源端子(高电平)的npn双极晶体管；以及用其发射极连接到npn双极晶体管的发射极并且用其集电极连接到电源输入的地端子(低电平)的pnp双极晶体管。两个双极晶体管的基极端子经由电阻器被连接到控制输入，并且电流放大器的输出被提供在双极晶体管的公共发射极端子处。以这种方式，被施加到控制输入的控制信号在放大器输出处再现，并且可以被用于生成待提供给MOSFET的栅极的控制信号。再现的控制信号因此具有规定的特性，其可以通过电路参数(诸如，被连接在控制输入与放大器之间的电阻器的大小、电源电压的电平)和/或通过形成放大器的双极晶体管的特定选择来调整或设置。在现有技术的AC耦合的驱动电路中，直接在P沟道MOSFET的栅极处提供DC耦合。然而，在本发明的优选实施例中，在双极晶体管的基极处完成DC耦合。优选地，通过将DC耦合电阻器连接在关断双极晶体管的基极与电源输入的更低端子之间，其中更低端子通常被连接到地。由于双极晶体管的DC增益，DC耦合电阻器可以具有更高的电阻，其减少驱动器电路的损耗。在本发明的另一个优选实施例中，电阻器和二极管的串联电路被并联连接到DC耦合电阻器。二极管的负极被连接到电源输入的负端子并且电阻器被连接在双极晶体管的基极与二极管的正极之间。由此，该串联电路的电阻器的电阻值是DC耦合电阻器的电阻的至多1/10倍。优选地，该串联电路电阻器应该制得尽可能小，诸如例如是DC耦合电阻器的至多1/100倍或者甚至至多1/1000倍。在这种方式中，DC耦合电阻器阻止或者至少强烈地减少在两个方向上在反相电容器与地之间的电流流动，而串联电路使从反相电容器到地的电流流动能够诸如例如对反相电容器或者MOSFET的栅极-源极电容器放电，但阻止在另一个方向上的电流流动。本发明关于驱动器设备的解决方案由权利要求10的特征规定。根据本发明的驱动器设备包括如以上所描述的驱动器电路和用于将DC电源电压提供给驱动器电路的电源输入的电源电路。电源电路包括用于连接电压源的两个电源端子。电阻器被串联连接到电源端子中的一个，并且电容器被连接在电阻器与另一个电源端子之间，其中DC电源电压横跨电容器被提供。通常，电阻器被连接到电压源的正电源端子。然而，其也可以被连接到电压源的负电源端子，所述负电源端子优选地具有地电平。本发明关于可控开关设备的解决方案由权利要求11的特征规定。根据本发明的可控开关设备包括如以上所描述的驱动器设备和P沟道MOSFET，其中所述驱动器电路的驱动输出被连接到P沟道MOSFET的栅极。优选地，P沟道MOSFET的源极被连接到地。本发明关于用于驱动P沟道MOSFET的方法的解决方案由权利要求12的特征规定。该方法包括以下步骤：接收用于控制P沟道MOSFET的开关的控制信号并且依赖于控制信号来生成用于驱动MOSFET的驱动信号，其中将所述驱动信号提供给P沟道MOSFET的栅极。根据本发明，借助于关断双极晶体管有源地生成关断信号，即用于关断P沟道MOSFET的驱动信号，其中将关断信号提供给P沟道MOSFET的栅极。其他有利实施例和特征组合从以下详细描述和权利要求的总体显现。附图说明用于解释实施例的绘图示出：图1P沟道MOSFET、和根据现有技术的用于驱动P沟道MOSFET的驱动器电路、以及用于给驱动器电路供应功率的电源电路的示意描绘；图2在图1中示出的电路的更详细示意描绘；图3根据本发明的用于驱动P沟道MOSFET的驱动器电路的示意描绘；图4根据本发明的用于驱动P沟道MOSFET的驱动器电路的更详细的第一实施例；以及图5根据本发明的用于驱动P沟道MOSFET的驱动器电路的更详细的第二实施例。在图中，相同组件被给予相同参考符号。具体实施方式图1示出用于驱动P沟道MOSFET2的现有技术驱动器电路1的示意描绘。驱动器电路1包括电源输入3、控制输入4、和驱动输出5。功率供应6提供功率给功率输入3并且在控制输入4处接收用来控制P沟道MOSFET2的开关的控制信号。基于在控制输入4处接收的控制信号，驱动电路1产生用于驱动P沟道MOSFET2的驱动信号。在驱动输出5处提供驱动信号，所述驱动输出5被连接到P沟道MOSFET2的控制端子。图2示出在图1中示出的驱动器电路1、P沟道MOSFET2和功率供应6的更详细的示意描绘。功率供应6包括功率源，通常是DC功率源V1。电阻器R3被串联连接到功率源V1并且电容器C1横跨功率源V1和电阻器R3的串联电路被连接。电源电压横跨电容器C1被提供，并且被馈送到驱动器电路1的功率输入3。控制信号被示出为被连接到控制输入4的电压源V2。电压源V2被示出为提供信号，所述信号为表示控制信号的一系列交替低和高电平。驱动电路1的驱动输出5被连接到P沟道MOSFETQ4的栅极。驱动器电路1是如在本领域中已知的AC耦合的栅极驱动器。控制输入被馈送到电流放大器7。电流放大器7包括在其输入处的电阻器R4和被串联连接的两个双极晶体管Q1，Q2。双极晶体管Q2是npn双极晶体管，其集电极被连接到功率输入3。双极晶体管Q2的发射极被连接到另一个双极晶体管Q1的发射极，所述另一个双极晶体管Q1是pnp双极晶体管。双极晶体管Q1的集电极被连接到地。控制输入经由电阻器R4被连接到两个双极晶体管Q1，Q2的基极，并且两个双极晶体管Q1、Q2的公共发射极端子形成放大器输出。放大器输出经由耦合或反相电容器C2并且进一步经由限流电阻器R5而被连接到P沟道MOSFET的栅极。另外的电阻器R1(特别是DC耦合电阻器)和二极管D2(特别是肖特基二极管)被并联连接在反相电容器C2和限流电阻器R5的公共端子与地之间，使得二极管D2的负极被连接到地。因此，在关断期间，电源电压从反相电容器C2和电阻器R5被馈送到栅极。在关断期间，电容器C2经由限流电阻器R5放电，导致高功率损耗以及关于这种驱动器电路的频率和占空比的某些限制。进一步地，在关断期间，由于电荷位移或电容性耦合，可以在P沟道MOSFET的栅极与源极之间建立电压。这样的电压建立可能导致MOSFET的不期望的接通，这又可以导致包括MOSFET的更高级别电路的故障或甚至损害。图3示出根据本发明的驱动器电路11的示意描绘。该驱动器电路11的结构类似于在图1和2中示出的驱动器电路。驱动器电路11由可连接到功率输入3的功率供应供电，并且控制信号被馈送到控制输入4。控制信号由电流放大器17放大，其输出被馈送到耦合电容器18。由驱动电路11产生的驱动信号经由限流电阻19被馈送到驱动输出5，其然后被连接到P沟道MOSFET的栅极。与在图1和2中示出的驱动器电路相反，驱动器电路11进一步包括双极晶体管20。因此，经放大的控制信号不被用于直接生成驱动信号，而是被馈送到双极晶体管20的基极，其然后提供待经由限流电阻器19馈送到驱动输出5的驱动信号。图4示出根据本发明的驱动器电路的第一实施例的更详细描绘。电流放大器17和在图2中示出的电流放大器是等同的。它包括两个被串联连接的双极晶体管Q1、Q2，其中控制输入被连接到两个晶体管Q1，Q2的基极，并且其中公共发射极端子形成放大器输出。放大器输出经由耦合电容器C2被馈送到npn双极晶体管Q3的基极，其中npn双极晶体管Q3的集电极被连接到功率输入3的正电压轨，其向驱动器电路21供电，并且npn双极晶体管Q3的发射极经由限流电阻器R5被连接驱动输出5。进一步地，二极管D1，优选地肖特基二极管，在电流传导方向上将npn双极晶体管Q3的发射极连接到npn双极晶体管Q3的基极。并且为了稍微限制从电容器C2流动到地的电流，电阻器R2被串联连接到二极管D2的正极。电阻器R2的电阻比电阻器R1的电阻小得多。在下文中，给出可以用于实现该第一实施例的针对在图4中示出的元件的示例性值，以及元件的示例性类型：R110k欧姆R21欧姆R310欧姆R422.1欧姆R53.32欧姆C1470n法拉C2220n法拉D1、D2肖特基二极管SL04Q1、Q3npn双极晶体管FMMT618Q2pnp双极晶体管FMMT718V112伏特DC在该实施例中，通过快速开关双极晶体管Q3完成关断过渡。DC耦合电阻器R1被放置在基极npn双极晶体管Q3与地之间，这也意味着DC耦合电阻器R1被放置在基极npn双极晶体管Q3与P沟道MOSFETQ4的源极之间。因此，可以使其更高，这减少功率损耗。该电路造成更短的关断过渡，这进一步减少损耗并且还避免可能由缓慢驱动器电路引起的不期望的突发模式(burst-mode)影响。进一步地，借助于在耦合电容器C2之后的电阻器R1的DC耦合不在P沟道MOSFETQ4的栅极中完成，而是在npn双极晶体管Q3的基极中完成。npn双极晶体管Q3的DC增益由此允许用更高电阻的DC耦合电阻器R1建立相同DC耦合，这如已经提到的那样减少损耗。此外，当施加与以上关于根据现有技术的驱动器电路1的第一实施例提到的相同的值时，已发现在截止周期期间，大约-1V的恒定负电压横跨P沟道MOSFET的栅极-源极端子保持。这个恒定负电压不位于接通MOSFET所需要的P沟道MOSFET的栅极-源极电压的阈值窗口的范围之内，而是在其附近的值。对于所使用的P沟道MOSFET，阈值窗口在-2伏特与-4伏特之间。取决于电路参数和所使用的P沟道MOSFET，该电压也可以更高或更低。对于替选的P沟道MOSFET并且在12伏特的电源电压下，在截止周期期间已测量出大约-3.6伏特的恒定负电压。而且，该电压在P沟道MOSFET的阈值窗口的范围之内。仿真和测量结果已示出，在以上提到的值下，在根据本发明的驱动器电路21中，在截止周期期间横跨P沟道MOSFET的栅极-源极端子的恒定负电压被消除。这确保，与功率供应和电路参数无关，P沟道MOSFET始终适当地操作。图5示出根据本发明的驱动器电路31的第二实施例。该第二实施例几乎与在图4中示出的第一实施例等同。仅有的差异是附加双极晶体管Q3被连接到电源电压的方式。在该实施例中，npn双极晶体管Q3的集电极被连接到待驱动的P沟道MOSFET的源极，这在该示例中意味着npn双极晶体管Q3的集电极被连接到地。以上提到的值也可以用于实现该第二实施例，并且关于第一实施例提到的特性和优点也适用于该第二实施例。可以提供另外的电阻器以进一步减少损耗或者限制耦合或反相电容器和/或P沟道MOSFET的栅极-源极电容的充电和或放电电流。例如，附加的电阻器可以横跨P沟道MOSFET的栅极-源极端子被布置。总之，要指出的是，根据本发明的驱动器电路允许有效地驱动P沟道MOSFET，由此不仅减少功率损耗而且增强驱动器的性能。根据本发明的驱动器电路特别地发现应用，用来驱动其中P沟道MOSFET与N沟道MOSFET互补地工作的功率供应拓扑中的P沟道MOSFET。然而，其可以应用于其中P沟道MOSFET必须被驱动的任何其它电路。参考符号列表1，11，21，31驱动器电路2P沟道MOSFET3功率输入4控制输入5驱动输出6功率供应7，17放大器18电容器19电阻器20双极晶体管V1DC功率源R1，R2，R3，R4，R5电阻器C1，C2，18电容器D1，D2二极管V2电压源Q4P沟道MOSFETQ1，Q2，Q3双极晶体管当前第1页1 2 3