專利名稱：具有能量恢復電路的柵極驅動器裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于功率MOSFET的柵極驅動器，更具體地涉及這樣一種柵極驅動器裝置，其中的能量恢復電路與方波柵極驅動器相結合，以便恢復在柵極驅動器中的關斷損耗。
目前，用于功率MOSFET的柵極驅動器可以分為三個主要類別，即，方波、準諧振和諧振驅動器。如

圖1所示的方波柵極驅動器通常在由相同的控制信號驅動的一對圖騰柱(totem pole)N和P溝道開關組成的IC中實現(xiàn)。方波驅動器的優(yōu)勢在于易于實現(xiàn)，并且不依賴于開關頻率。然而，沒有方法可以用于恢復由MOSFET柵極電容的充放電所產(chǎn)生的導通和關斷能量損耗，而這些能量損耗對于高頻工作是無法容忍的。
如圖2所示的準諧振驅動器可以消除柵極驅動器中的導通損耗，如圖3所示的諧振驅動器可以通過每個開關周期期間、在諧振電感Lg和有效柵極電容Cg之間循環(huán)能量來消除導通和關斷損耗。然而，不同于可以工作在“脈寬調制(PWM)”模式以及“可變頻率控制”模式下的方波驅動器，準諧振和諧振驅動器由于其依賴于開關頻率和占空比，因此只能在“可變頻率控制”模式下的變窄的頻率范圍內正常工作。因此，準諧振和諧振驅動器中電路的工作頻率嚴格受到限制。
因此，存在對于這樣的柵極驅動器的需要，一方面，這種柵極驅動器是不依賴于開關頻率的，另一方面，它能夠從MOSFET的柵極電容中恢復一些能量。
本發(fā)明提供一種新穎的柵極驅動器裝置，其中能量恢復電路與方波柵極驅動器結合。能量恢復電路能夠在柵極驅動器的關斷工作期間，通過將柵極電容中存儲的能量轉移至電源從而恢復關斷損耗。具體地，能量恢復電路包括第一回路，用于當柵極驅動器關斷時將能量從柵極電容釋放到電感，以及第二回路，用于將能量從電感釋放到電源。通過導通優(yōu)選為FET的第一器件形成第一回路，通過利用優(yōu)選為二極管的單向性器件形成第二回路。因此，當柵極驅動器關斷時，柵極電容的能量被轉移至電源，且柵極驅動器裝置仍然保持與獨立于開關頻率的方波驅動器相同的工作靈活性。
參考附圖，在閱讀現(xiàn)有技術電路的描述和本發(fā)明的優(yōu)選實施例的基礎上，本發(fā)明的上述和其他特征以及優(yōu)點將變得更加清楚，其中圖1示出了傳統(tǒng)的方波柵極驅動器電路；圖2示出了準諧振柵極驅動器電路；圖3示出了諧振柵極驅動器電路；圖4示出了本發(fā)明的柵極驅動器裝置的電路；以及圖5示出了圖4中的柵極驅動器裝置的時序圖。
如圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的新穎的柵極驅動器裝置，能量恢復電路(如虛線框10中所述)與方波柵極驅動器電路相結合，以恢復柵極驅動器中的關斷損耗。具體地，能量恢復電路包括電感L和單向性傳導器件D，以及開關Q3。這里在本實施例中，Q3是FET而D是二極管。
如圖4所示，電感L連接在FET Q3和二極管D的結合點與柵極電容Cg之間。在柵極驅動器的關斷工作期間，當導通FET Q3和二極管D時，將會形成兩個回路，用于在兩個連續(xù)步驟中將能量柵極電容Cg恢復到電源Vc，這將在下面詳細討論。
為了導通主FET S，方波柵極驅動器電路中的FET Q1被導通，并將柵極電容Cg充電至Vc，以便上拉(pull up)S的柵極，正如圖1所示的傳統(tǒng)方波柵極驅動器中相同的方式。
然而，為了關斷主FET S，本發(fā)明的柵極驅動器裝置工作在不同于圖1所示的傳統(tǒng)方波柵極驅動器的方式中。具體地，在Q1關斷之后，方波柵極驅動器電路的FET Q2并不立即導通而以相同于傳統(tǒng)方波柵極驅動器中的方式將柵極鉗位至地。取而代之的是，在Q1的關斷和Q2的導通之間增加了滯后時間td，用于使能量恢復電路工作以便將關斷柵極能量恢復回到電源Vc，其細節(jié)如圖5中的時序圖所示。
具體地，如圖5所示，當在時間t0處關斷Q1時，Q3導通。在Cg、L、Q3之間形成第一回路，該第一回路以諧振方式將能量從柵極電容Cg釋放或轉移至諧振電感L。Q3保持導通一段時期TonQ3直到t1。
通過電感L和柵極電容Cg的設計來固定Q3的導通時間，Q3的導通時間由下列方程給出
TonQ3=π2L·Cg]]>總滯后時間td應當稍長于TonQ3，優(yōu)選具有10-20％的余量。
在時刻t1，當Q3關斷時，存儲在諧振電感L中的能量通過二極管D和FET Q2的體二極管BD2返回至電源。因此，存儲在柵極電容Cg中的能量被完全恢復。
在時刻t2，Q2在零電壓下導通，S的柵極被鉗位在地，以完成釋放柵極電容Cg中的任何剩余能量。
如圖5所示，柵極電壓Vg的波形類似于方波，除了在下降沿期間其波形由能量恢復電路更改為正弦波形。
可以理解，滯后時間td不是電源級的開關頻率和占空比的函數(shù)。因此，本發(fā)明的柵極驅動器裝置可以容易地以恢復關斷柵極能量的附加優(yōu)勢來取代任何的傳統(tǒng)方波驅動。
上文具體描述了優(yōu)選實施例?？梢岳斫猓槐畴x本發(fā)明的精神，各種變化和修改對于本領域技術人員來說都是顯而易見的。因此，本發(fā)明的范圍僅由附屬權利要求所限定。
權利要求
1.一種柵極驅動器裝置，用于驅動功率MOSFET，包括控制信號源(Vc)，用于提供控制驅動功率；方波柵極驅動器電路(Q1、Q2)，用于對柵極電容(Cg)充電，以便導通所述MOSFET；能量恢復電路(D、Q3、L)，用于在所述柵極驅動器的關斷工作期間使所述柵極電容向所述電源放電。
2.權利要求1所述的柵極驅動器裝置，其中所述能量恢復電路包括與所述柵極電容相連的諧振電感(L)。
3.權利要求2所述的柵極驅動器裝置，進一步包括與所述電感(L)和所述柵極電容(Cg)相連的第一傳導(Q3)器件，用于形成一個回路，以便在所述關斷工作期間將能量從所述柵極電容釋放到所述電感。
4.權利要求3所述的柵極驅動器，其中所述第一傳導器件是FET。
5.權利要求2-4任一所述的柵極驅動器裝置，進一步包括與所述電感(L)和所述電源(Vc)相連的第二傳導器件(D)，用于將能量從所述電感釋放到所述電源。
6.權利要求5所述的柵極驅動器，其中所述第二傳導器件是二極管(D)。
7.前述任一權利要求所述的柵極驅動器裝置，其中所述柵極驅動器電路包括第三傳導器件(Q1)，用于一個回路，所述電源通過該回路對所述柵極電容進行充電。
8.權利要求7所述的柵極驅動器裝置，其中所述第三傳導器件是FET(Q1)。
9.前述任一權利要求所述的柵極驅動器裝置，其中所述柵極驅動器電路包括第四傳導器件(Q2)，或形成一個回路，所述柵極電容能夠通過該回路完全放電。
10.權利要求9所述的柵極驅動器裝置，其中所述第四傳導器件是FET(Q2)。
11.一種用于在用于驅動功率MOSFET的方波柵極驅動器的關斷操作中恢復能量的方法，包括提供能量恢復電路，用于在所述柵極驅動器的所述關斷工作期間，使柵極電容向所述柵極驅動器的電源放電；當所述柵極驅動器關斷時，通過所述能量恢復電路將所述柵極電容器放電。
12.權利要求11的方法，其中所述放電包括步驟在所述柵極驅動器關斷之后，形成第一回路以便將能量從所述柵極電容釋放到諧振電感。
13.權利要求12的方法，其中所述第一回路包括彼此串聯(lián)的所述柵極電容、所述電感和第一傳導器件。
14.權利要求13的方法，其中所述形成所述第一回路的步驟是通過導通所述第一傳導器件來實現(xiàn)的。
15.權利要求14的方法，其中所述放電進一步包括步驟保持所述第一傳導器件導通一段預定時間。
16.權利要求15的方法，其中所述時間期間為π2L·Cg,]]>其中L是所述諧振電感的電感值，(Cg)是所述柵極電容的電容值。
17.權利要求12-16任一的方法，其中所述放電進一步包括步驟形成第二回路，以便將能量從所述電感釋放到所述電源。
18.權利要求17的方法，其中所述第二回路包括彼此串聯(lián)的所述電感、第二傳導器件和所述電源。
19.權利要求17或18的方法，進一步包括步驟形成第三回路，以便完全釋放所述柵極電容中的剩余能量。
20.當從屬于權利要求18時的權利要求19的方法，其中形成所述第三回路的所述步驟是在所述第二導通器件關斷一段滯后時間td之后執(zhí)行的。
21.一種柵極驅動器裝置，用于對功率MOSFET充電和放電，包括電源，用于提供控制驅動功率(Vc)；方波柵極驅動器電路，包括第一導通器件(Q1)，用于當所述柵極驅動器導通時，形成用于所述控制信號源到所述柵極電容的回路；第二導通器件(Q2)，用于當所述柵極驅動器關斷時，形成用于將能量從所述柵極電容釋放到地的回路；關斷能量恢復電路，包括電感(L)，用于存儲從所述柵極電容Cg中釋放的能量；第三導通器件(Q3)，用于形成回路以將所述柵極電容的能量釋放到所述電感；第四導通器件(D)，用于形成回路以將能量從所述電感釋放到所述電源；由此，當所述柵極驅動器裝置關斷時，通過所述恢復電路來恢復柵極電容中的能量。
22.權利要求21的柵極驅動器，其中所述第一導通器件(Q1)是FET。
23.權利要求21或22的柵極驅動器，其中所述第二導通器件(Q2)是FET。
24.權利要求21-23任一的柵極驅動器，其中所述第三導通器件(Q3)是FET。
25.權利要求21-24任一的柵極驅動器，其中所述第四導通器件是二極管(D)。
26.一種用于恢復方波柵極驅動器中的關斷損耗的能量恢復電路，用于對功率MOSFET的柵極電容進行放電，包括第一回路，用于在所述柵極驅動器的關斷工作期間，將能量從所述柵極電容釋放到電感(L)；和第二回路，用于將能量從所述電感釋放到所述柵極驅動器的電源。
27.權利要求26的能量恢復電路，其中所述第一回路包括與所述電感(L)和所述柵極電容(Cg)串聯(lián)的第一傳導器件(Q1)。
28.權利要求27的能量恢復電路，其中當所述柵極驅動器關斷時所述第一傳導器件(Q1)導通，以便形成所述第一回路從而開始從所述柵極電容到所述電感的放電。
29.權利要求27或28的能量恢復電路，其中所述第一導通器件(Q1)是FET。
30.權利要求26-29任一的能量恢復電路，其中所述第二回路包括與所述電感(L)和所述電源串聯(lián)的第二傳導器件。
31.權利要求30的能量恢復電路，其中所述第二導通器件是二極管(D)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新穎的柵極驅動器裝置，其中能量恢復電路與方波柵極驅動器相結合。能量恢復電路包括第一回路，用于當柵極驅動器關斷時將能量從柵極電容釋放到電感，以及第二回路，用于將能量從電感釋放到電源。固此，當柵極驅動器關斷時，柵極電容的能量被轉移至電源，且柵極驅動器裝置仍然保持與方波驅動器相同的工作靈活性，并獨立于開關頻率。
文檔編號H03K17/0412GK1561576SQ02819319
公開日2005年1月5日 申請日期2002年9月11日 優(yōu)先權日2001年10月1日
發(fā)明者F·李, J·錢 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司