[发明专利]具有连续可变电流的栅极驱动器

说明书

本公开的各实施例涉及具有连续可变电流的栅极驱动器。提供了用于设置供电流模式栅极驱动器使用的电流水平的电路、方法和系统。电流水平可以用于向/从功率器件的栅极端子提供电流、吸收电流或提供电流和吸收电流。电流水平基于来自模拟电流设置端子的电流水平或电压水平输入。该输入电流水平或电压水平可以取连续范围的电流值或电压值。

技术领域

本申请涉及一种栅极驱动器，其基于模拟输入来提供具有连续可变电流水平的栅极驱动电流。

背景技术

栅极驱动器电路驱动提供给功率器件的控制端子(栅极)的电流。使用这种栅极驱动器电路的功率器件的示例包括功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、氮化镓(GaN)晶体管和碳化硅(SiC)MOSFET。在实际应用中有效使用功率器件需要由栅极驱动器电路向功率器件栅极提供适当的驱动电流。

功率器件在其完全接通(例如，饱和)或完全关断(不导通)时执行最有效。当功率器件在完全接通和完全关断状态之间转换时，功率器件引起开关损耗，这会降低效率。通过针对限制功率器件的转换时间可以最小化开关损耗。这通常要求在使功率器件接通时向功率器件的栅极(控制)端子提供相对大的电流，并且在关断功率器件时从栅极(控制)端子吸收大电流。高电流水平快速地对功率器件的栅极电容充电或放电，从而限制将功率器件在其完全接通和完全关断状态之间转换所花费的时间。然而，栅极驱动电流水平不可能无限制地增加，这是因为功率器件仅能够处理低于特定水平的电流。另外，驱动电流的生成会引起其自身的损耗，必须在其与开关转换期间引起的开关损耗之间进行折衷。

给定功率器件通常具有最佳的电流栅极驱动水平，并且可以具有在最佳水平附近的可接受的电流水平范围。由于制造功率器件的工艺变化，对于相同的功率器件设计，最佳电流水平和相关联的可接受范围将从一个功率器件到下一个功率器件变化。例如，沟道宽度、沟道长度、栅极电容等在给定晶圆上跨功率器件变化，并且对于不同晶圆上的功率器件可能更加显著。由于这些变化，至少在要优化功率效率的情况下，可能期望调节应用中的用于一个或多个功率器件的栅极驱动电流水平。

功率器件用于各种电路应用中。需要栅极驱动器的功率器件的常见应用包括半桥和全桥电路。(全桥电路仅仅是并联配置的两个半桥，并且将不再进一步讨论。)半桥电路包括高侧开关和低侧开关(功率器件)，高侧开关和低侧开关在电压源和基准节点(例如地)之间串联连接并且在切换节点处彼此连接。半桥电路通常在各种开关模式电源中被使用，开关模式电源包括降压转换器、升压转换器、隔离反激转换器和谐振转换器。高侧开关和低侧开关交替切换，使得高侧开关在第一导通间隔期间将电压源连接到切换节点，并且低侧开关在第二导通间隔期间将切换节点连接到基准节点。为了避免将电压源直接连接到基准节点，开关应当不同时导通。这意味着第一和第二导通间隔必须被所谓的“死区时间(deadtime)”分离，在此期间两个开关都不导通。死区时间间隔应当被最小化，以便每个切换周期的较高百分比可以用于传输功率。可以通过适当设置栅极驱动器电流水平来实现减少死区时间间隔，使得栅极控制电压尽可能近似于对相关联的功率器件可行的方波。

期望能够设置用于驱动功率器件的栅极的最佳电流水平或接近最佳电流水平的栅极驱动器电路装置和技术。

发明内容

根据电流模式栅极驱动器电路的一个实施例，栅极驱动器电路包括模拟电流设置端子、可调节电流生成器、用于耦合到功率器件的栅极端子的输出端子、输出级以及输入控制端子。模拟电流设置端子输入电压水平或电流水平，可调节电流生成器使用该电压水平或电流水平来生成基准电流水平。输入电压或电流是可以在连续输入范围内取任何值的模拟信号。类似地，基准电流水平在连续基准电流范围内取任何值。输出级被配置为向输出端子提供电流和/或从输出端子吸收电流，其中所提供的电流水平和/或所吸收的电流水平基于基准电流水平。在输入控制端子提供的信号通过将输出级设置为对输出端子提供电流或吸收电流来切换输出级。