本發(fā)明涉及電路領(lǐng)域，更具體地涉及驅(qū)動功率晶體管的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著電子產(chǎn)業(yè)和集成電路的快速發(fā)展，各國對電子產(chǎn)品能耗的要求越來越高。在小功率電源轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，雙極型功率晶體管(bipolar power transistor，本文簡稱為功率晶體管)以良好的開關(guān)特性和低廉的價(jià)格等優(yōu)勢得以廣泛使用。為了滿足能耗標(biāo)準(zhǔn)，期望降低用于功率晶體管的驅(qū)動電路的損耗，提高該驅(qū)動電路的效率。

在現(xiàn)有的用于功率晶體管的驅(qū)動電路中，不管輸入電壓高低，都采用固定的驅(qū)動電流來驅(qū)動功率晶體管。這樣，很容易出現(xiàn)以下情況：當(dāng)輸入電壓低時(shí)，由于導(dǎo)通時(shí)間長，功率晶體管的輸入電荷過多，功率晶體管很容易進(jìn)入深度飽和的工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致功率晶體管的關(guān)斷速度慢，關(guān)斷損耗上升；當(dāng)輸入電壓高時(shí)，由于導(dǎo)通時(shí)間短，功率晶體管的輸入電荷不足，功率晶體管未進(jìn)入飽和的工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致功率晶體管的導(dǎo)通損耗上升。在上述兩種情況下，用于功率晶體管的驅(qū)動電路的能耗都比較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述的問題，本發(fā)明提供了一種新穎的驅(qū)動功率晶體管的系統(tǒng)和方法。

根據(jù)本公開的一個(gè)方面，提供了一種驅(qū)動功率晶體管的系統(tǒng)，包括：比例轉(zhuǎn)換電路，被配置為基于第一控制信號，利用第一轉(zhuǎn)換比例或第二轉(zhuǎn)換比例對表征流過功率晶體管的電流的第一表征信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成第二表征信號；以及開關(guān)驅(qū)動電路，被配置為基于第二控制信號、第三控制信號、以及第二表征信號，生成控制功率晶體管的導(dǎo)通與截止的驅(qū)動信號， 其中比例轉(zhuǎn)換電路在第一控制信號處于高電平時(shí)利用第一轉(zhuǎn)換比例對第一表征信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且在第一控制信號處于低電平時(shí)利用第二轉(zhuǎn)換比例對第一表征信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，開關(guān)驅(qū)動電路在第二控制信號處于高電平且第三控制信號處于低電平的第一時(shí)段內(nèi)將第一預(yù)定信號作為驅(qū)動信號，在第二控制信號處于高電平且第三控制信號處于低電平的第二時(shí)段內(nèi)將第二表征信號作為驅(qū)動信號，并且在第二控制信號和第三控制信號均處于高電平時(shí)將第二預(yù)定信號作為驅(qū)動信號。

根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種驅(qū)動功率晶體管的方法，包括：基于第一控制信號，利用第一轉(zhuǎn)換比例或第二轉(zhuǎn)換比例對表征流過功率晶體管的電流的第一表征信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成第二表征信號；以及基于第二控制信號、第三控制信號、以及第二表征信號，生成控制功率晶體管的導(dǎo)通與截止的驅(qū)動信號，其中在第一控制信號處于高電平時(shí)利用第一轉(zhuǎn)換比例對第一表征信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且在第一控制信號處于低電平時(shí)利用第二轉(zhuǎn)換比例對第一表征信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在第二控制信號處于高電平且第三控制信號處于低電平的第一時(shí)段內(nèi)將第一預(yù)定信號作為驅(qū)動信號，在第二控制信號處于高電平且第三控制信號處于低電平的第二時(shí)段內(nèi)將第二表征信號作為驅(qū)動信號，并且在第二控制信號和第三控制信號均處于高電平時(shí)將第二預(yù)定信號作為驅(qū)動信號。

根據(jù)本申請實(shí)施例的基于導(dǎo)通時(shí)間控制驅(qū)動功率晶體管的系統(tǒng)和方法提供了一種以較低功率損耗來驅(qū)動功率晶體管的途徑。取決于實(shí)施例，還可以獲得一個(gè)或多個(gè)益處。參考下面的詳細(xì)描述和附圖可以全面地理解本發(fā)明的這些益處以及各個(gè)另外的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

下面，將結(jié)合附圖對本發(fā)明的示例性實(shí)施例的特征、優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果進(jìn)行描述，附圖中相似的附圖標(biāo)記表示相似的元件，其中：

圖1是示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的、基于導(dǎo)通時(shí)間控制驅(qū)動功率晶體管的系統(tǒng)的框圖。

圖2是示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的、基于導(dǎo)通時(shí)間控制驅(qū)動功率晶 體管的方法的流程圖。

圖3是示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的、示出基于導(dǎo)通時(shí)間控制驅(qū)動功率晶體管的方法中各信號與功率晶體管的基極電流的時(shí)序關(guān)系的簡化時(shí)序圖。

圖4是示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的、示出基于導(dǎo)通時(shí)間控制驅(qū)動功率晶體管的方法中各信號與功率晶體管的基極電流的另一時(shí)序關(guān)系的簡化時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

下面將詳細(xì)描述本發(fā)明的各個(gè)方面的特征和示例性實(shí)施例。在下面的詳細(xì)描述中，提出了許多具體細(xì)節(jié)，以便提供對本發(fā)明的全面理解。但是，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說很明顯的是，本發(fā)明可以在不需要這些具體細(xì)節(jié)中的一些細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。下面對實(shí)施例的描述僅僅是為了通過示出本發(fā)明的示例來提供對本發(fā)明的更好的理解。本發(fā)明決不限于下面所提出的任何具體配置和算法，而是在不脫離本發(fā)明的精神的前提下覆蓋了元素、部件和算法的任何修改、替換和改進(jìn)。在附圖和下面的描述中，沒有示出公知的結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便避免對本發(fā)明造成不必要的模糊。

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的驅(qū)動功率晶體管的系統(tǒng)的框圖。如圖1所示，驅(qū)動功率晶體管的系統(tǒng)100包括開關(guān)驅(qū)動電路102、采樣電壓K1/K2比例轉(zhuǎn)換電路104，并且還可選的包括脈沖生成電路101、偏置電流電路103、固定導(dǎo)通時(shí)間生成電路105。此外，系統(tǒng)還可以包括變壓器的原邊繞組電感106、功率晶體管107、以及采樣電阻108。

在一個(gè)示例中，功率晶體管107是雙極結(jié)型晶體管。在另一示例中，功率晶體管107是場效應(yīng)晶體管(例如，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET))。在又另一示例中，功率晶體管107是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。在各種示例中，偏置電路往往有若干元件，其中偏置電阻Re的電阻值可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)需要設(shè)置。

如圖1所示，脈沖生成電路101與開關(guān)驅(qū)動電路102、偏置電流電路103、K1/K2比例轉(zhuǎn)換電路104、以及功率晶體管107的基極相耦接。開關(guān) 驅(qū)動電路102與脈沖生成電路101、偏置電流電路103、K1/K2比例轉(zhuǎn)換電路104相耦接。偏置電流電路103與脈沖生成電路101、開關(guān)驅(qū)動電路102相耦接。K1/K2比例轉(zhuǎn)換電路104與脈沖生成電路101、開關(guān)驅(qū)動電路102、固定導(dǎo)通時(shí)間生成電路105、以及采樣電阻108相耦接。原邊繞組電感106的一端相耦接與功率晶體管107的集電極相耦接，另一端接開關(guān)電源的輸入電壓V_IN。功率晶體管107的基極與脈沖生成電路101相耦接，集電極與原邊繞組電感106的一端相耦接，并且發(fā)射極與采樣電阻108的一端相耦接。采樣電阻108的一端與功率晶體管107的發(fā)射極相耦接，另一端接地。

根據(jù)一些實(shí)施例，開關(guān)驅(qū)動電路102接收來自脈沖生成電路101的脈寬調(diào)制(PWM)信號/預(yù)關(guān)斷信號(PWM_PRE)、來自偏置電流電路103的偏置電流信號I_B、以及來自K1/K2比例轉(zhuǎn)換電路104的電流信號I_CS。開關(guān)驅(qū)動電路102可以基于所接收的脈沖開關(guān)信號PWM/PWM_PRE、偏置電流信號I_B和斜坡電流信號I_CS來生成基極驅(qū)動電流信號I_BASE，以控制功率晶體管107的導(dǎo)通和截止。

采樣電阻106上對開關(guān)電源進(jìn)行采樣，所得的電壓信號V_CS被輸入K1/K2比例轉(zhuǎn)換電路104。隨后K1/K2比例轉(zhuǎn)換電路104按不同K1/K2比例將電壓信號V_CS轉(zhuǎn)換成斜坡電流信號I_CS。具體地，如果脈沖開關(guān)信號PWM的導(dǎo)通時(shí)間PWM_ON小于固定導(dǎo)通時(shí)間T_{ON_TH}(例如，導(dǎo)通時(shí)間閾值)，則K1/K2比例轉(zhuǎn)換電路104將V_CS按K1比例轉(zhuǎn)換成I_CS，并且如果脈沖開關(guān)信號PWM的導(dǎo)通時(shí)間PWM_ON大于固定導(dǎo)通時(shí)間T_{ON_TH}，則K1/K2比例轉(zhuǎn)換電路104首先將V_CS以較大的K1比例轉(zhuǎn)換，隨后再進(jìn)一步以較小的K2比例轉(zhuǎn)換成I_CS，其中K1比例在大小上相較K2比例更大；并且其中固定導(dǎo)通時(shí)間T_{ON_TH}是可以根據(jù)實(shí)際情況預(yù)定義的閾值時(shí)間。

從而，當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓V_IN高時(shí)，由于PWM導(dǎo)通時(shí)間PWM_ON比固定導(dǎo)通時(shí)間T_{ON_TH}短，使得V_CS能采用大的K1比例轉(zhuǎn)換成I_CS，較大I_CS能確?；鶚O輸入電荷足夠使功率晶體管107進(jìn)入飽和的工作狀態(tài)，減少功率晶體管導(dǎo)通損耗。而當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓V_IN低時(shí)，由于PWM導(dǎo)通時(shí)間PWM_ON遠(yuǎn)比固定導(dǎo)通時(shí)間T_{ON_TH}長，使得V_CS首先以較大的K1比例轉(zhuǎn) 換，隨后再進(jìn)一步以較小的K2比例轉(zhuǎn)換成I_CS，這樣轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的較小I_CS能保證基極輸入電荷不過剩，減少功率晶體管107的驅(qū)動損耗。

圖2是示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的、基于導(dǎo)通時(shí)間控制驅(qū)動功率晶體管的方法的流程圖。該圖僅作為示例，其不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解很多變化、替代和修改。

方法開始于步驟201，接收脈寬調(diào)制PWM信號以及來自功率晶體管的發(fā)射極的采樣電壓信號V_CS；并且隨后在步驟202，將電壓信號V_CS轉(zhuǎn)換成電流信號I_CS。其中如果PWM的導(dǎo)通時(shí)間PWM_ON小于導(dǎo)通時(shí)間閾值，則將電壓信號V_CS按K1比例轉(zhuǎn)換成電流信號I_CS，并且如果PWM_ON大于導(dǎo)通時(shí)間閾值，則首先將電壓信號V_CS按K1比例轉(zhuǎn)換、隨后再進(jìn)一步以K2比例轉(zhuǎn)換成電流信號I_CS，其中K1比例在大小上相較K2比例更大。

方法隨后前進(jìn)到步驟203，接收PWM信號、偏置電流信號I_B、以及電流信號I_CS，并且至少部分地基于電流信號I_CS來生成基極驅(qū)動電流信號I_BASE以驅(qū)動功率晶體管。

圖3是示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的、示出基于導(dǎo)通時(shí)間控制驅(qū)動功率晶體管的方法中各信號與功率晶體管的基極電流的時(shí)序關(guān)系的簡化時(shí)序圖300。該圖僅作為示例，其不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解很多變化、替代和修改。如圖3所示，波形301代表固定導(dǎo)通時(shí)間T_{ON_TH}，波形302代表隨時(shí)間變化的PWM信號，波形303代表隨時(shí)間變化的PWM_PRE信號，并且波形304代表隨時(shí)間變化的基極驅(qū)動電流信號I_BASE。

圖3示出了當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓V_IN高時(shí)的信號時(shí)序。其中對于PWM信號相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)通時(shí)間段和關(guān)斷時(shí)間段，導(dǎo)通時(shí)間段PWN_ON在時(shí)間t₀處開始并且在時(shí)間t₃處結(jié)束。例如，t₀≤t₁≤t₂≤t₃≤t₄。其中，根據(jù)功率二極管的基極電流和發(fā)射極電流之間的關(guān)系，可以將由采樣電阻(例如，采樣電阻108)所采樣的電壓V_CS與基極驅(qū)動電流信號I_BASE的關(guān)系表示如下：

Vcs＝(1+β)×I_BASE×R (公式1)

其中，β代表功率晶體管(例如，功率晶體管107)的靜態(tài)電流放大系 數(shù)，R代表感測電阻的電阻值。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在t₀處，PWM信號從邏輯低電平改變到邏輯高電平，作為響應(yīng)，基極驅(qū)動電流信號I_BASE突變?yōu)楣潭〞r(shí)間寬度的脈沖驅(qū)動電流I_pusle，例如，I_pusle的高電平持續(xù)時(shí)間可以為t₀～t₁。由于PWM導(dǎo)通時(shí)間PWN_ON(例如，t₀～t₃期間)比固定導(dǎo)通時(shí)間T_{ON_TH}(例如，t₀～t₄期間)短，將V_CS按K1比例轉(zhuǎn)換成I_CS。例如，電流信號I_CS被配置為按如下的公式確定：

I_CS＝V_CS×K1 (公式2)

其中，V_CS代表對開關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行采樣的采樣電阻(例如，采樣電阻108)所獲得的采樣電壓，K1為PWN_ON短于T_{ON_TH}時(shí)V_CS與I_CS的轉(zhuǎn)換比例，K1為相對較大的比例以確保使得功率晶體管進(jìn)入飽和狀態(tài)的足夠I_CS，從而降低導(dǎo)通損耗。如圖3所示，根據(jù)公式1-公式2，在t₁～t₂時(shí)間段期間，至少部分地基于電流信號I_CS的基極驅(qū)動電流信號I_BASE線性增加。

在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)預(yù)關(guān)斷信號PWM_PRE(例如，在t₂處)從邏輯低電平改變到邏輯高電平，首先降低基極驅(qū)動電流信號I_BASE(例如，如t₂～t₃時(shí)間段所示)，然后當(dāng)PWM信號與預(yù)關(guān)斷信號PWM_PRE同時(shí)(例如，在t₃處)從邏輯低電平改變到邏輯高電平，將基極驅(qū)動電流信號I_BASE降低為關(guān)斷功率晶體管，這種對基極驅(qū)動電流信號I_BASE的分級降低有利于減少關(guān)斷損耗。

圖4是示出了根據(jù)本公開的實(shí)施例的、示出基于導(dǎo)通時(shí)間控制驅(qū)動功率晶體管的方法中各信號與功率晶體管的基極電流的另一時(shí)序關(guān)系的簡化時(shí)序圖。該圖僅作為示例，其不應(yīng)該不適當(dāng)?shù)叵拗茩?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解很多變化、替代和修改。如圖4所示，波形401代表固定導(dǎo)通時(shí)間T_{ON_TH}，波形402代表隨時(shí)間變化的PWM信號，波形403代表隨時(shí)間變化的PWM_PRE信號，并且波形404代表隨時(shí)間變化的基極驅(qū)動電流信號I_BASE。

圖4示出了當(dāng)系統(tǒng)輸入電壓V_IN低時(shí)的信號時(shí)序。其中對于PWM信號相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)通時(shí)間段和關(guān)斷時(shí)間段，導(dǎo)通時(shí)間段PWN_ON在時(shí)間t₀處開始并且在時(shí)間t₄處結(jié)束。例如，t₀≤t₁≤t₂≤t₃≤t₄。類似于圖3，由采樣 電阻(例如，采樣電阻108)所采樣的電壓V_CS與基極驅(qū)動電流信號I_BASE的關(guān)系如公式1所示。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在t₀處，PWM信號從邏輯低電平改變到邏輯高電平，作為響應(yīng)，基極驅(qū)動電流信號I_BASE突變?yōu)楣潭〞r(shí)間寬度的脈沖驅(qū)動電流I_pusle，例如，I_pusle的高電平持續(xù)時(shí)間可以為t₀～t₁。由于PWM導(dǎo)通時(shí)間PWN_ON(例如，t₀～t₄期間)遠(yuǎn)長于固定導(dǎo)通時(shí)間T_{ON_TH}(例如，t₀～t₂期間)，使得V_CS首先以較大的K1比例轉(zhuǎn)換，隨后再進(jìn)一步以較小的K2比例轉(zhuǎn)換成I_CS，這樣轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的較小I_CS能保證基極輸入電荷不過剩，減少功率晶體管的驅(qū)動損耗。電流信號I_CS被配置為按如下的公式確定：

I_CS’＝V_CS×K1

I_CS＝I_CS’×K2 (公式3)其中，V_CS代表對開關(guān)電源系統(tǒng)進(jìn)行采樣的采樣電阻(例如，采樣電阻108)所獲得的采樣電壓，K1為PWN_ON短于T_{ON_TH}時(shí)V_CS與I_CS的轉(zhuǎn)換比例，K2為PWN_ON長于T_{ON_TH}時(shí)V_CS與I_CS的轉(zhuǎn)換比例，其中K2為相對較小的比例。根據(jù)公式1-公式2，在t₁～t₂時(shí)間段期間，至少部分地基于電流信號I_CS的基極驅(qū)動電流信號I_BASE線性增加。隨后在t₂處(閾值信號T_{ON_TH}在該處從邏輯高電平改變到邏輯低電平)，中間信號I_CS’突降預(yù)定大小，并隨即以基于K2的較小速率線性增長，如公式3所示。

在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)預(yù)關(guān)斷信號PWM_PRE(例如，在t₃處)從邏輯低電平改變到邏輯高電平，首先降低基極驅(qū)動電流信號I_BASE(例如，如t₃～t₄時(shí)間段所示)。然后當(dāng)PWM信號與預(yù)關(guān)斷信號PWM_PRE同時(shí)(例如，在t₄處)從邏輯低電平改變到邏輯高電平，將基極驅(qū)動電流信號I_BASE降低為關(guān)斷功率晶體管，這種對基極驅(qū)動電流信號I_BASE的分級降低有利于減少關(guān)斷損耗。

本發(fā)明可以以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)，而不脫離其精神和本質(zhì)特征。例如，特定實(shí)施例中所描述的算法可以被修改，而系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)并不脫離本發(fā)明的基本精神。因此，當(dāng)前的實(shí)施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而非上述描述定義，并且，落入權(quán)利要求的含義和等同物的范圍內(nèi)的全部改變從而都被包括在本發(fā)明的 范圍之中。

本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例中的一些或所有組件單獨(dú)地和/或與至少另一組件相組合地是利用一個(gè)或多個(gè)軟件組件、一個(gè)或多個(gè)硬件組件和/或軟件與硬件組件的一種或多種組合來實(shí)現(xiàn)的。在另一示例中，本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例中的一些或所有組件單獨(dú)地和/或與至少另一組件相組合地在一個(gè)或多個(gè)電路中實(shí)現(xiàn)，例如在一個(gè)或多個(gè)模擬電路和/或一個(gè)或多個(gè)數(shù)字電路中實(shí)現(xiàn)。在又一示例中，本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例和/或示例可以相組合。

雖然已描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，然而本領(lǐng)域技術(shù)人員將明白，還存在于所述實(shí)施例等同的其它實(shí)施例。因此，將明白，本發(fā)明不受所示具體實(shí)施例的限制，而是僅由權(quán)利要求的范圍來限定。