[发明专利]用于使体二极管功率损耗最小化的开关转换器的栅极驱动器

说明书

本公开涉及用于使体二极管功率损耗最小化的开关转换器的栅极驱动器。在具有感性负载的开关转换器中，即使控制晶体管的栅极以保持晶体管关断，电流也可能流经晶体管的体二极管。然后，当开关支路的另一个晶体管接通时，反向恢复电流通过体二极管反向流动。为了减少与这种电流相关联的开关损耗，栅极驱动器集成电路检测流经体二极管的电流何时上升到阈值电流以上。然后，栅极驱动器集成电路控制晶体管接通。然后，当使开关支路的所述另一个晶体管接通时，栅极驱动器首先关断所述晶体管。当该关断的晶体管的栅极‑源极电压下降到阈值电压以下时，则栅极驱动器集成电路允许并控制所述另一个晶体管接通。

技术领域

所描述的实施例涉及用于驱动诸如功率场效应晶体管(所谓的MOSFET)之类的功率晶体管的栅极的栅极驱动器。

背景技术

开关功率转换器有几种类型的功率损耗。为了说明这一点，这里简要描述一种特定类型的开关转换器。它是通常称为“逆变器”的DC-AC开关转换器。逆变器接收DC供电电压并输出正弦AC电压或电流。存在用于逆变器的各种电路拓扑，但是图1A图示了一个示例性逆变器电路的一部分的一个示例。逆变器电路涉及称为QHS的所谓“高侧”晶体管和称为QLS的所谓“低侧”晶体管。这些晶体管中的每一个都是N沟道场效应晶体管，有时通称为N沟道MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。这些晶体管中的每一个被实现为半导体片芯的一部分。存在作为那个片芯的一部分的固有体二极管。二极管可以以N沟道晶体管的符号示出，或者可以根本不示出，但是它与晶体管一起存在。在逆变器电路中，节点N1上存在第一DC供电电压，节点N2上存在较高的第二DC供电电压。节点GND是接地节点。标号L标识变压器的第一绕组(初级侧绕组)。未示出变压器的磁芯和变压器的第二绕组(次级侧绕组)。逆变器电路的总体目的是生成流经第一绕组L的AC电流。这使得相似的AC电流在变压器的第二绕组中流动，并且使第二绕组中的这个AC电流通过负载。未示出控制高侧和低侧晶体管的控制和驱动电路系统。

在输出正弦AC电流在绕组L中流动的前半周期中，高侧晶体管被控制为关断。这在图1A、图1B、图1C和图1D中由出现在高侧晶体管QHS旁边的文字“关断”指出。另一方面，低侧晶体管QLS以使得正弦AC电流流经第一绕组的方式接通和关断。然后，在正弦AC电流的后半周期中，控制低侧晶体管QLS关断。未示出这个后半周期中逆变器电路的操作。在正弦AC电流的后半周期中，高侧晶体管QHS以使得正弦AC电流流动的方式接通和关断。

图1A、图1B、图1C和图1D图示了在正弦AC电流的示例性前半周期期间的电流流动。图1A图示了第一种情况。低侧晶体管QLS被控制为接通。使电流如箭头A所示流动。电流从节点N1流经绕组L、流经晶体管QLS，并流到接地节点GND。在一段时间之后，低侧晶体管QLS关断。这产生了图1B中所示的情况。由于第一绕组L的电感中的电流不能瞬间停止，并且因为它也不能流经阻塞的低侧晶体管QLS，因此它在箭头B所示的路径中流动。高侧晶体管QHS关断，但是电流B流经体二极管DHS直到节点N2。经过一段时间后，低侧晶体管QLS再次接通。然后电流如图1C中的箭头C所示流动。低侧晶体管QLS接通并导通，因此电流从节点N1流经绕组L、流经低侧晶体管QLS，并流到接地节点GND。但是，当低侧晶体管QLS首次接通时，在高侧晶体管的体二极管DHS上施加反向电压。这使得反向恢复电流的短突发流经体二极管DHS。反向恢复电流的这个突发在图1C所示的路径C中流动。一旦这个反向恢复电流已经停止，电流就如图1D中所示流动。

流经体二极管DHS的电流可造成开关转换器中的功率损耗。图1C中所示的反向恢复电流的浪涌虽然持续时间相对短，但是是大电流，并且其发生在体二极管两端存在大的反向电压的时间期间。流经体二极管DHS的瞬时电流乘以体二极管DHS上的瞬时电压降随时间的积分表示能量损失。这是由于反向恢复电流的流动引起的能量损失。此外，由于正向电流流经体二极管DHS，因此存在能量损失。当图1B中所示的电流B流经体二极管DHS时，体二极管DHS两端存在大约1伏的电压降。流经体二极管DHS的瞬时电流乘以体二极管DHS上的瞬时电压降的积分表示能量损失。

发明内容