开关器件的栅极驱动电路、驱动方法及具有开关器件的集成电路与流程

1.本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种开关器件的栅极驱动电路、驱动方法及具有开关器件的集成电路。


背景技术：

2.桥式开关电路包括连接的高侧开关管和低侧开关管，高侧开关管的一端接输入电压，低侧开关管的一端接参考地电位，在低侧开关管导通过程中，两个开关管间的开关节点电压被拉低到参考地电位，而在高侧开关管导通过程中，开关节点的电压被逐步拉高到输入电压。
3.在高侧开关管为mos晶体管的情况下，由于开关节点的电压被逐渐拉高，高侧开关管的栅极驱动电路需要产生合适的驱动电压以满足开通电压的要求从而能够控制高侧开关管的开关状态。根据上述的开关节点电压变化可知需要提供的高侧开关管的驱动电压较大以保证高侧开关管能够在开关周期内完全导通，现有技术通常在芯片外接一个容值较大的自举电容以为高侧开关管提供足够的驱动电压，如此则增加了成本且降低了系统的集成度。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关器件的栅极驱动电路、驱动方法及具有开关器件的集成电路，用以解决现有技术存在开关器件驱动电路成本高且集成度低的技术问题。
5.本发明的技术解决方案是提供一种开关器件的栅极驱动电路，所述开关器件包括连接的高侧开关管和低侧开关管，通过所述高侧开关管和所述低侧开关管的开关转换以将输入电压转换为输出电压，所述栅极驱动电路包括：
6.第一电压电路，通过第一电容连接所述高侧开关管和所述低侧开关管的开关节点，所述第一电容接收第一电源电压，所述第一电源电压给所述第一电容充电以获得第一电压信号；电压转换电路，接收第二电源电压，根据所述第二电源电压获得第二电压信号，所述第二电源电压为通过开关器件的回路节点获得；高侧驱动电路，与所述电压转换电路连接，接收所述电压转换电路的输出信号以产生驱动信号驱动所述高侧开关管；所述电压转换电路接收高侧开关管的开关信号和所述第一电压信号，在所述高侧开关管的开关信号有效期间内，在第一时间阶段，所述电压转换电路输出所述第二电压信号，在第二时间阶段，所述电压转换电路输出所述第一电压信号。
7.优选地，在第二时间阶段，所述第一电压信号大于所述第二电压信号。
8.优选地，在所述第一时间阶段，所述高侧驱动电路驱动所述高侧开关管从断开状态到不完全导通状态，在所述第二时间阶段，所述高侧驱动电路驱动所述高侧开关管从不完全导通状态到完全导通状态。
9.优选地，所述第一电源电压为所述输入电压或者所述输出电压或者所述高侧开关管的第一功率端电压，所述高侧开关管的第二功率端与所述低侧开关管连接。
10.优选地，所述第二电源电压为所述输入电压或所述高侧开关管的第一功率端电压，或者是所述输入电压或所述高侧开关管的第一功率端电压经过转换后的电压，其中，所述高侧开关管的第二功率端与所述低侧开关管连接。
11.优选地，所述电压转换电路包括第一开关电路和第二开关电路；所述第一开关电路的输入端接收所述第二电源电压，当所述第一开关电路导通时，所述第一开关电路的输出端的信号作为所述第二电压信号；所述第二开关电路的输入端接收所述第一电压信号，当所述第二开关电路导通时，所述第二开关电路将所述第一电压信号传输至输出端输出。
12.优选地，所述电压转换电路包括第一控制电路，所述第一控制电路接收所述高侧开关管的开关信号，在所述开关信号变为有效时刻，所述第一控制电路控制第一开关电路导通，控制所述第二开关电路关断；当第一开关电路的导通时间到达所述第一时间段的时间时，所述第一控制电路控制第一开关电路断开，控制所述第二开关电路导通。
13.优选地，所述第一控制电路利用计时器产生所述第一时间段的时间，当所述开关信号变为有效时刻，所述计时器开始计时，当计时达到预设的时间时，所述计时器输出触发信号，所述第一控制电路根据所述触发信号控制第一开关电路断开，控制所述第二开关电路导通。
14.优选地，所述第一控制电路接收所述开关信号，当所述开关信号变为有效时刻，所述第一时间段开始，所述第一控制电路包括比较器，所述比较器比较所述高侧开关管的控制端的电压或者是所述开关节点电压与所述高侧开关管的第一功率端电压大小，当两者的差值达到预设阈值时，所述比较器输出触发信号，所述第一时间段结束，所述第一控制电路根据所述触发信号控制第一开关电路断开，控制所述第二开关电路导通。
15.优选地，所述第一开关电路包括第一开关管，所述第一开关管的第一功率端接收所述第二电源电压，当所述第一开关管导通时，所述第一开关管将所述第二电源电压输出至输出端作为第一电压信号输出，所述第一开关管的第二功率端作为输出端。
16.优选地，，所述第一开关电路包括第一二极管，所述第一二极管的阳极接收所述第二电源电压，阴极连接所述第一开关管的第一功率端。
17.第二方面，提供一种具有开关器件的集成电路，包括上述的栅极驱动电路，所述第一电容与所述高侧开关管集成在一个集成芯片中。
18.第二方面，提供一种开关器件的栅极驱动方法，所述开关器件包括连接的高侧开关管和低侧开关管，通过所述高侧开关管和所述低侧开关管的开关转换以将输入电压转换为输出电压，包括：
19.通过第一电容的一端连接所述高侧开关管和所述低侧开关管的开关节点，所述第一电容的另一端接收第一电源电压，所述第一电源电压给所述第一电容充电以获得第一电压信号；接收所述输入电压，接收第二电源电压，根据所述第二电源电压获得第二电压信号，所述第二电源电压根据所述开关器件的回路节点获得；在所述高侧开关管的开关信号有效期间内，在第一时间阶段，所述电压转换电路输出所述第二电压信号，在第二时间阶段，所述电压转换电路输出所述第一电压信号；接收所述第一电压信号或所述第二电压信号以产生驱动信号驱动所述高侧开关管。
20.优选地，所述第二电压信号根据所述输入电压进行转换获得或者是第二电压信号等于所述输入电压大小；所述第二电压信号根据所述高侧开关管的第一功率端电压进行转换获得或者是第二电压信号等于所述高侧开关管的第一功率端电压的大小，其中，所述高侧开关管的第二功率端与所述低侧开关管连接。
21.优选地，在所述第一时间阶段，所述高侧驱动电路驱动所述高侧开关管从断开状态到不完全导通状态，在所述第二时间阶段，所述高侧驱动电路驱动所述高侧开关管从不完全导通状态到完全导通状态。
22.优选地，所述第一电源电压为所述输入电压或者所述输出电压或者所述高侧开关管的第一功率端电压，所述高侧开关管的第二功率端与所述低侧开关管连接。
23.采用本发明的电路结构，通过在高侧开关管的开关信号的有效期间，在第一时间段内，第二电压信号给高侧驱动电路供电，在第二时间段内，第一电压信号给高侧驱动电路供电，第一电压信号通过对电容充电获得，第二电压信号通过输入电压获得。本发明可以使得电容的容量和体积得以大大降低，降低了开关器件的驱动电路成本，另一方面还可以将电容和开关器件集成在一块芯片中，提高系统的集成度。
附图说明
24.图1为依据本发明的开关器件的栅极驱动电路的电路框图；
25.图2为依据本发明的开关器件的栅极驱动电路的具体实现图；
26.图3为依据本发明的电压转换电路的具体实现图；
27.图4为依据本发明的充电控制电路的具体实现图。
具体实施方式
28.以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。
29.为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。
30.在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
31.参考图1为依据本发明的开关器件的栅极驱动电路的电路框图以及图2为依据本发明的开关器件的栅极驱动电路的具体实现图；本发明的开关器件包括连接的高侧开关管m1和低侧开关管m2，通过所述高侧开关管和所述低侧开关管的开关转换以将输入电压vin转换为输出电压vout，这里，所述高侧开关管和所述低侧开关管构成桥式开关电路，其所在的电路系统还包括电感和电容，输入电压vin为直流电压信号，输出电压vout为供给负载的直流电压信号。
32.参考图2，所述栅极驱动电路包括第一电压电路、电压转换电路和高侧驱动电路，具体地，所述第一电压电路通过第一电容cboot连接所述高侧开关管和所述低侧开关管的开关节点sw，第一电容cboot的一端连接在开关节点sw，另一端接收第一电源电压vt，所述第一电源电压给所述第一电容充电以获得第一电压信号bst；电压转换电路，接收第二电源
电压，根据所述第二电源电压获得第二电压信号v2，所述第二电源电压为通过开关器件的回路节点获得；高侧驱动电路与所述电压转换电路连接，接收所述电压转换电路的输出信号以产生驱动信号驱动所述高侧开关管；所述电压转换电路接收高侧开关管的开关信号pwm2和所述第一电压信号bst，在所述高侧开关管的开关信号有效期间内，在第一时间阶段，所述电压转换电路输出所述第二电压信号v2，在第二时间阶段，所述电压转换电路输出所述第一电压信号bst。其中，在第二时间阶段，所述第二电压信号v2小于所述第一电压信号bst。所述第一电源电压为所述输入电压或者所述输出电压，本领域技术人员可知，所述第一电源电压还可以是所述输入电压或者所述输出电压的转换电压；所述第二电源电压为所述输入电压或所述高侧开关管的第一功率端电压，或者是所述输入电压或所述高侧开关管的第一功率端电压经过转换后的电压。
33.在一个示例中，高侧开关管的开关信号pwm2和低侧开关管的开关信号pwm1由开关控制电路中的其他电路获得，可以是现有技术中的反馈电路和比较电路根据电感电流和输出反馈信号获得，在本技术中不作具体阐述。在示例中，所述高侧开关管的开关信号有效期间对应的时间段包括第一时间阶段和第二时间阶段，且第一时间段在第二时间段之前。一个示例中，在所述第一时间阶段，所述高侧驱动电路驱动所述高侧开关管从断开状态到不完全导通状态，在所述第二时间阶段，所述高侧驱动电路驱动所述高侧开关管从不完全导通状态到完全导通状态。
34.在第一时间阶段，通过所述第二电压信号v2给所述高侧开关管的寄生电容充电，在第二时间端，通过所述第一电压信号给所述高侧开关管的寄生电容充电，所述第二电压信号v2通过功率回路获得，利用了回路的电能，还大大节省了第一电容的容量，第一电容的容量根据高侧开关管的特性决定，在寄生电容需要的充电电荷较小的情况下，第一电容容量很小，可以与高侧开关管集成在一个芯片中。
35.参考图2和图3所示的电路图，所述电压转换电路包括第一开关电路和第二开关电路；所述第一开关电路的输入端接收所述第二电源电压，当所述第一开关电路导通时，所述第一开关电路的输出端的信号作为所述第二电压信号v2；所述第二开关电路的输入端接收所述第一电压信号bst，当所述第二开关电路导通时，所述第二开关电路将所述第一电压信号传输至输出端输出，在一个示例中，所述第二开关电路包括第一开关管s2，第一开关管s2一功率端接收所述第一电压信号bst，第二功率端连接到电压转换电路的输出端。
36.在一个示例中，所述第一开关电路包括第一开关管s1，所述第一开关管的第一功率端接收所述第二电源电压，当所述第一开关管导通时，所述第一开关管将所述第二电源电压输出至输出端作为第一电压信号输出，所述第一开关管的第二功率端作为输出端。本领域技术人员可知，第一电压信号还可以是输入电压经过电路转换如开关电路或ldo的转换获得。进一步的，所述第一开关电路包括第一二极管，所述第一二极管的阳极接收所述第二电源电压，阴极连接所述第一开关管的第一功率端，第一二极管用以防止bst的高电压返回到第一开关管的第一功率端。
37.在一个示例中所述电压转换电路包括第一控制电路，所述第一控制电路接收所述高侧开关管的开关信号，在所述开关信号变为有效时刻，所述第一控制电路控制第一开关电路导通，控制所述第二开关电路关断；第一开关电路的导通时间到达所述第一时间段的时间时，所述第一控制电路控制第一开关电路断开，控制所述第二开关电路导通。
38.具体地，一个示例中，所述第一控制电路利用计时器产生所述第一时间段的时间，当所述开关信号变为有效时刻，所述计时器开始计时，当计时达到预设的时间时，所述计时器输出触发信号，所述第一控制电路根据所述触发信号控制第一开关电路断开，控制所述第二开关电路导通。
39.具体地，另一个示例中，所述第一控制电路接收所述开关信号，当所述开关信号变为有效时刻，所述第一时间段开始，所述第一控制电路包括比较器，所述比较器比较所述高侧开关管的控制端的电压或者是所述开关节点电压与所述高侧开关管的第一功率端电压大小，当两者的差值达到预设阈值时，所述比较器输出触发信号，所述第一时间段结束，所述第一控制电路根据所述触发信号控制第一开关电路断开，控制所述第二开关电路导通。
40.参考图4，为所述第一电源电压给所述第一电容充电以获得第一电压信号bst的一种实现方式，第一电容cboot一端接开关节点sw，另一端通过二极管接电容c0的一端，充电控制电路用以控制电容cboot的充电电压大小。所述第一电源电压为所述输入电压vin，当开关导通时，第一电源电压在分压电阻产生的电流给电容c0充电，误差放大器接收分压电阻的节点电压作为反馈电压vfb和参考电压vref，以将电容c0的电压稳定在与参考电压对应的电压值，从而获得稳定的直流电压bst。
41.此外，本发明还公开了一种具有开关器件的集成电路，包括上述的栅极驱动电路，所述第一电容与所述高侧开关管集成在一个集成芯片中。在一些开关器件中，由于米勒平台需要的电荷不大，因此在第一时间阶段，第二电压信号提供了大部分的米勒电荷，如此在第二时间阶段，第一电容需要提供的电荷较少，因此需要的电容的容值较小，电容的体积很小，可以集成在芯片中，提高了系统的集成度，集成在芯片中的电容还可以采用功率器件的制成方式实现，因此，实现也更容易。
42.以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。