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TW201838335A - 驅動電路及其控制方法 - Google Patents

驅動電路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一種驅動電路及其控制方法。驅動電路耦接輸出級與靴帶電容，輸出級包括第一電力開關與第二電力開關，第一電力開關與第二電力開關之間具有相位節點。驅動電路包括比較器、控制開關以及第一邏輯單元。比較器耦接相位節點與靴帶電容之一端，且接收參考電壓與存在相位節點的相位電壓，以提供比較信號。控制開關耦接工作電壓與靴帶電容之另一端。第一邏輯單元耦接比較器與控制開關，且接收延遲的開關控制信號與比較信號，其中開關控制信號用以控制第二電力開關的操作。

Description

驅動電路及其控制方法
本發明是有關於一種驅動電路，且特別是有關於一種驅動電路及其控制方法。
在功率開關元件領域中，氮化鎵（GaN）具有低功率元件能源損耗的特性。氮化鎵電晶體元件具備高崩潰電壓和低傳導電阻特性，相較於矽電晶體元件需要靠較大晶片面積降低導通電阻，具有相同導通電阻的氮化鎵元件尺寸較小，使得寄生電容較低，可輕易實現高速切換與小型化設計。
然而，在閘極驅動技術中，閘極驅動器在控制上橋開關與下橋開關的切換過程時，上橋開關與下橋開關會有一段短暫時間都關閉。此短暫時間稱為遲滯時間（dead time），約為2毫微秒（ns）。若在此遲滯時間期間工作電壓仍對靴帶電容持續充電，可能導致靴帶電容兩端的電壓超過上橋開關所能承受的耐電壓範圍，導致燒毀上橋開關。
本發明提供一種驅動電路及其控制方法，可避免輸出級的上橋開關被燒毀。
本發明的驅動電路，耦接輸出級與靴帶電容，輸出級包括第一電力開關與第二電力開關，第一電力開關與第二電力開關之間具有相位節點。驅動電路包括比較器、控制開關以及第一邏輯單元。比較器耦接相位節點與靴帶電容之一端，且接收參考電壓與存在相位節點的相位電壓，以提供比較信號。控制開關耦接工作電壓與靴帶電容之另一端。第一邏輯單元耦接比較器與控制開關，且接收延遲的開關控制信號與比較信號，開關控制信號用以控制第二電力開關的操作。
於本發明的一實施例中，驅動電路更包括第二邏輯單元、阻值單元及輔助控制開關，阻值單元之一端耦接工作電壓，輔助控制開關耦接阻值單元之另一端、第二邏輯單元與靴帶電容之另一端。
於本發明的一實施例中，第二邏輯單元接收開關控制信號與比較信號，比較信號由比較器根據參考電壓與相位電壓提供。
於本發明的一實施例中，驅動電路更包括延遲單元，耦接第一邏輯單元，接收開關控制信號以提供延遲的開關控制信號。
本發明的驅動電路的控制方法，驅動電路耦接輸出級與靴帶電容，輸出級包括第一電力開關與第二電力開關，第一電力開關與第二電力開關之間具有相位節點，靴帶電容耦接於相位節點與控制開關之間，控制開端之另一端耦接工作電壓，控制方法包括下列步驟。接收參考電壓與存在於相位節點的相位電壓。比較相位電壓與參考電壓，以提供比較信號。依據比較信號與延遲的開關控制信號操作控制開關，開關控制信號用以控制第二電力開關的操作。
於本發明的一實施例中，驅動電路更包括阻值單元，其一端耦接工作電壓，輔助控制開關分別耦接阻值單元之另一端、第二邏輯單元與靴帶電容之另一端，控制方法包括依據該開關控制信號與該比較信號控制該輔助控制開關的操作。
於本發明的一實施例中，驅動電路更包括延遲單元，控制方法包括接收該開關控制信號以提供延遲的該開關控制信號。
基於上述，本發明實施例的驅動電路及其控制方法，其透過比較參考電壓及輸出級提供的相位電壓以產生比較信號，並且依據比較信號及延遲的開關控制信號決定控制開關是否導通。藉此，可避免相位節點的負電壓使靴帶電容過充，導致第一電力開關燒毀。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A為依據本發明第一實施例的電源轉換電路的系統示意圖。請參照圖1A，在本實施例中，電源轉換電路10包括輸出級12、靴帶電容CBT、電容C、電感L及驅動電路100，輸出級12接收輸入電壓VIN，並且包括第一電力開關PM1（例如為功率電晶體開關）及第二電力開關PM2（例如為功率電晶體開關）。第一電力開關PM1與第二電力開關PM2之間具有相位節點PHASE。
靴帶電容CBT提供驅動電壓VBT至驅動電路100，用以驅動第一電力開關PM1，以使第一電力開關PM1能夠操作。第一電力開關PM1的控制端接收開關控制信號UG，以執行相關操作。第二電力開關PM2的控制端接收開關控制信號LG，以執行相關操作。
驅動電路100耦接輸出級12的相位節點PHASE，以接收相位電壓Vph。驅動電路100耦接靴帶電容CBT，以依據所接收的延遲的開關控制信號LG（以LGD表示）決定是否對靴帶電容CBT進行充電，靴帶電容CBT所提供的驅動電壓VBT由工作電壓VCC與相位電壓Vph的差值決定。
在本實施例中，驅動電路100包括第一邏輯單元110、控制開關120（例如為MOS電晶體）、驅動器130及比較器CMP1。驅動器130接收驅動電壓VBT，以控制第一開關PM1。比較器CMP1的正輸入端耦接相位節點PHASE與靴帶電容CBT之一端，以接收存在相位節點PHASE的相位電壓Vph，且比較器CMP1的負輸入端接收參考電壓VREF，比較器CMP1的輸出端提供比較信號ON，亦即比較信號ON由比較器CMP1根據參考電壓VREF與相位電壓Vph來提供。
第一邏輯單元110耦接比較器CMP1的輸出端以接收比較信號ON。第一邏輯單元110耦接控制開關120的控制端，且接收延遲的開關控制信號LGD。第一邏輯單元110依據比較信號ON及延遲的開關控制信號LGD控制控制開關120的導通與否，以決定控制開關120所耦接的工作電壓VCC是否提供至靴帶電容CBT之另一端，藉此控制是否對靴帶電容CBT進行充電。
電感L耦接於輸出電壓VOUT與相位節點PHASE之間。電容C耦接於輸出電壓VOUT與接地電壓之間。電容C及電感L可視為一濾波電路。
在本實施例中，第一邏輯單元110例如包括反及閘NAND1，反及閘NAND1的輸入端接收比較信號ON及延遲的開關控制信號LGD，反及閘NAND1的輸出端耦接控制開關120的控制端。驅動器11包括兩個串接的緩衝器BFR。並且，第一電力開關PM1及第二電力開關PM2可以是氮化鎵功率電晶體開關。上述為舉例以說明，且本發明實施例不以此為限。
圖1B為依據本發明第一實施例的電源轉換電路的波形示意圖。請參照圖1A及圖1B，在本實施例中，電力開關控制信號UG預設為高電壓準位H，開關控制信號LG預設為低電壓準位L。在時間點T1，電力開關控制信號UG切換為低電壓準位L，亦即第一電力開關PM1不導通，以致於相位節點PHASE的相位電壓Vph會下降至負壓，比較器CMP1測得相位電壓Vph低於參考電壓VREF(在本實施例中參考電壓VREF=0)，使得比較信號ON禁能（例如為低電壓準位L）。
接著，在時間點T2，開關控制信號LG切換為高電壓準位H亦即第二電力開關PM2導通，相位節點PHASE的相位電壓Vph被拉到接地電壓，比較器CMP1測得相位電壓Vph大於等於參考電壓VREF，使得比較信號ON致能（例如為高電壓準位H）。並且，第一邏輯單元110是接收延遲的開關控制信號LGD（亦即延遲數微秒（μs）的開關控制信號LG），以確保相位節點PHASE的負壓釋放完畢。由於第一邏輯單元110是接收延遲的開關控制信號LGD，因此在延遲的開關控制信號LGD及比較信號ON皆致能（例如為高電壓準位H）才會導通控制開關120，以對靴帶電容CBT進行充電。
進一步來說，在本實施例中，當第一保全機制（亦即開關控制信號LG致能後數微秒）及第二保全機制（相位電壓Vph高於等於參考電壓VREF）皆符合時，才會導通控制開關120，以避免相位節點PHASE的負壓使靴帶電容CBT過充，導致第一電力開關PM1燒毀。
圖2為依據本發明第二實施例的電源轉換電路的系統示意圖。請參照圖1A及圖2，在本實施例中，電源轉換電路20大致相同於電源轉換電路10。其不同之處在於驅動電路200中，更包括延遲單元210。延遲單元210的輸入端接收開關控制信號LG，並且延遲單元210的輸出端耦接第一邏輯單元110，以提供延遲的開關控制信號LGD至第一邏輯單元110。
圖3為依據本發明第三實施例的電源轉換電路的系統示意圖。請參照圖2及圖3，電源轉換電路30大致相同於電源轉換電路20，其不同之處在於驅動電路300中，更包括阻值單元R、輔助控制開關320（在此以MOS電晶體為例）、以及第二邏輯單元310。
阻值單元R具有高阻值，並且阻值單元R之一端耦接工作電壓VCC。輔助控制開關320的第一端耦接阻值單元R之另一端，輔助控制開關320的控制端耦接第二邏輯單元310，並且輔助控制開關320的第二端耦接靴帶電容CBT之另一端。第二邏輯單元310耦接比較器CMP1的輸出端以接收比較信號ON，耦接輔助控制開關320的控制端，並且接收開關控制信號LG。第二邏輯單元310依據比較信號ON及開關控制信號LG控制輔助控制開關320的導通與否，以控制工作電壓VCC是否提供至靴帶電容CBT之另一端，藉此控制對靴帶電容CBT的低電流充電。
在本實施例中，第二邏輯單元110例如包括反及閘NAND2，反及閘NAND2的輸入端接收比較信號ON及開關控制信號LG，反及閘NAND2的輸出端耦接輔助控制開關320的控制端。
圖4為依據本發明第四實施例的電源轉換電路的系統示意圖。請參照圖1A及圖4，在本實施例中，電源轉換電路40大致相同於電源轉換電路10，相同或相似元件使用相同或相似標號。其不同之處在於驅動電路400中，更包括齊納二極體D1，齊納二極體D1的陽極耦接控制開關120，齊納二極體D1的陰極耦接靴帶電容CBT之另一端，藉此在靴帶電容CBT的另一端的電壓比工作電壓VCC高並低於崩潰電壓時，齊納二極體D1會截止，因此可阻隔VCC電流路徑達到靴帶效果。
圖5為依據本發明第一實施例的電源轉換電路的系統示意圖。請參照圖4及圖5，在本實施例中，電源轉換電路50大致相同於電源轉換電路40。其不同之處在於驅動電路500中，更包括圖3所示阻值單元R、輔助控制開關320、以及第二邏輯單元310，上述可參照圖3實施例所述，在此則不再贅述。
圖6為依據本發明一實施例的驅動電路的控制方法的流程圖。請參照圖6，在本實施例中，驅動電路耦接輸出級與靴帶電容，輸出級包括第一電力開關與第二電力開關，第一電力開關與第二電力開關之間具有相位節點，靴帶電容耦接於相位節點與控制開關之間，控制開端之另一端耦接一工作電壓，並且驅動電路的控制方法包括下列步驟。在步驟S610中，接收參考電壓與存在相位節點的相位電壓。在步驟S620中，比較相位電壓與參考電壓，以提供比較信號。
在步驟S630中，依據延遲的開關控制信號與比較信號控制控制開關的操作，其中開關控制信號用以控制第二電力開關之操作。上述步驟S610、S620的順序為用以說明，本發明實施例不以此為限。並且，上述步驟S610、S620、S630的細節可參照圖1A、圖1B、圖2至圖5實施例所述，在此則不再贅述。
綜上所述，本發明實施例的驅動電路及其控制方法，其透過比較參考電壓及輸出級提供的相位電壓以提供比較信號，並且依據比較信號及延遲的開關控制信號決定控制開關是否導通。藉此，可避免相位節點的負壓使靴帶電容過充，導致第一電力開關燒毀。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10、20、30、40、50‧‧‧電源轉換電路
12‧‧‧輸出級
100、200、300、400、500‧‧‧驅動電路
110‧‧‧第一邏輯單元
120‧‧‧控制開關
130‧‧‧驅動器
210‧‧‧延遲單元
310‧‧‧第二邏輯單元
320‧‧‧輔助控制開關
BFR‧‧‧緩衝器
C‧‧‧電容
CBT‧‧‧靴帶電容
CMP1‧‧‧比較器
D1‧‧‧齊納二極體
H‧‧‧高電壓準位
L‧‧‧低電壓準位
L‧‧‧電感
LG‧‧‧開關控制信號
LGD‧‧‧延遲的開關控制信號
NAND1、NAND2‧‧‧反及閘
ON‧‧‧比較信號
PHASE‧‧‧相位節點
PM1‧‧‧第一電力開關
PM2‧‧‧第二電力開關
R‧‧‧阻值單元
T1、T2‧‧‧時間點
UG‧‧‧電力開關控制信號
VBT‧‧‧驅動電壓
VIN‧‧‧輸入電壓
VOUT‧‧‧輸出電壓
Vph‧‧‧相位電壓
VREF‧‧‧參考電壓
VCC‧‧‧工作電壓
S610、S620、S630‧‧‧步驟
圖1A為依據本發明第一實施例的電源轉換電路的系統示意圖。 圖1B為依據本發明第一實施例的電源轉換電路的波形示意圖。 圖2為依據本發明第二實施例的電源轉換電路的系統示意圖。 圖3為依據本發明第三實施例的電源轉換電路的系統示意圖。 圖4為依據本發明第四實施例的電源轉換電路的系統示意圖。 圖5為依據本發明第一實施例的電源轉換電路的系統示意圖。 圖6為依據本發明一實施例的驅動電路的控制方法的流程圖。

Claims (7)

  1. 一種驅動電路，耦接一輸出級與一靴帶電容，其中該輸出級包括一第一電力開關與一第二電力開關，該第一電力開關與該第二電力開關之間具有一相位節點，該驅動電路包括： 一比較器，耦接該相位節點與該靴帶電容之一端，且接收一參考電壓與存在該相位節點的一相位電壓，以提供一比較信號； 一控制開關，耦接一工作電壓與該靴帶電容之另一端；以及 一第一邏輯單元，耦接該比較器與該控制開關，且接收延遲的一開關控制信號與該比較信號，其中該開關控制信號用以控制該第二電力開關的操作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的驅動電路，其中該驅動電路更包括： 一第二邏輯單元； 一阻值單元，該阻值單元之一端耦接該工作電壓；以及 一輔助控制開關，分別耦接該阻值單元之另一端、該第二邏輯單元與該靴帶電容之另一端。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的驅動電路，其中該第二邏輯單元接收該開關控制信號與該比較信號，該比較信號由該比較器根據該參考電壓與該相位電壓提供。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的驅動電路，更包括一延遲單元，耦接該第一邏輯單元，且接收該開關控制信號以提供延遲的該開關控制信號。
  5. 一種驅動電路的控制方法，其中該驅動電路耦接一輸出級與一靴帶電容，其中該輸出級包括一第一電力開關與一第二電力開關，該第一電力開關與該第二電力開關之間具有一相位節點，該靴帶電容耦接於該相位節點與一控制開關之間，該控制開端之另一端耦接一工作電壓，該控制方法包括： 接收一參考電壓與存在該相位節點的一相位電壓； 比較該相位電壓與該參考電壓，以提供一比較信號； 依據該比較信號與延遲的一開關控制信號操作該控制開關，其中該開關控制信號用以控制該第二電力開關之操作。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的驅動電路的控制方法，其中該驅動電路更包括一阻值單元，其一端耦接該工作電壓，一輔助控制開關分別耦接該阻值單元之另一端、該第二邏輯單元與該靴帶電容之另一端，該控制方法包括： 依據該開關控制信號與該比較信號控制該輔助控制開關的操作。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的驅動電路的控制方法，其中該驅動電路更包括一延遲單元，該控制方法包括： 接收該開關控制信號以提供延遲的該開關控制信號。
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