[发明专利]动态MOSFET栅极驱动器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请按照35U.S.C.§119(e)要求于2011年11月1日提交的第61/554,407号共同未决美国临时申请的优先权，该临时申请对通过整体引用而结合于此。

技术领域

这里公开的实施例主要地涉及一种栅极驱动器系统架构和控制方法，并且更具体地涉及一种在单个切换周期期间动态调整驱动电流的栅极驱动器系统。

背景技术

功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)是包括切换模式电源的功率电子系统中常用的半导体切换器件。用于功率MOSFET的栅极驱动器对于实现高性能(如低电磁干扰(EMI)、高效率和良好控制性能)而言是关键的。图1是图示了使用MOSFETQ1的常规回扫型切换功率转换器100的电路图。切换功率转换器100包括功率级105和次级输出级107。功率级105包括MOSFET Q1和功率变压器T1。功率变压器T1包括初级绕组Np、次级绕组Ns和辅助绕组Na。次级输出级107包括二极管D1和输出电容器C1。控制器101使用具有接通时间(T_ON)和关断时间(T_OFF)的脉冲这一形式的输出驱动信号102来控制MOSFET Q1的接通状态和关断状态。换而言之，控制器101生成驱动MOSFET Q1的输出驱动信号102。

从AC功率源(未示出)接收AC功率，并且对AC功率整流以提供未调节的输入电压V_DC。输入功率在开关Q1接通之时存储于变压器T1中，因为二极管D₁在MOSFET Q1接通时变成反向偏置。然后，在开关Q1关断之时跨电容器C₁向电子设备传送整流的输入功率，因为二极管D1在MOSFET Q1关断时变成正向偏置。二极管D₁作为输出整流器来工作，并且电容器C₁作为输出滤波器来工作。向电子设备递送所得的经整流的输出电压V_OUT。

如先前提到的那样，控制器101生成用于控制MOSFET Q1的接通时间和关断时间并且调整输出电压V_OUT的适当开关驱动脉冲102。控制器101在包括PWM(脉冲宽度调制)和/或PFM(脉冲频率调制)模式的多种操作模式中基于切换功率转换器的先前切换周期中的感测的输出电压V_SENSE和感测的初级侧电流I_D使用反馈回路来控制MOSFET Q1。I_SENSE用来感测经过初级绕组N_p的初级电流I_D并且以跨感测电阻器R_S的电压这一形式切换Q1。

跨变压器T1的辅助绕组Na反映输出电压V_OUT，经由包括电阻器R₁和R₂的电阻分压器向控制器101输入该输出电压作为电压V_SENSE。基于感测的输出电压，控制器101确定切换功率转换器100的操作频率，该操作频率规定输出驱动信号102中的接通时间(T_ON)和关断时间(T_OFF)的频率。

图2图示了在控制器101中包括的常规栅极驱动器系统配置。驱动器末级包括高侧PMOS Q_P和低侧NMOS Q_N。高侧PMOS源极连接到V_CC，而低侧NMOS源极连接到接地(GND)。如图2中所示，控制器101包括栅极驱动器控制电路201。栅极驱动器控制电路202生成开关控制信号S以及分别用于PMOS Q_P和NMOS Q_N的驱动器信号S_P和S_N。

图3图示了常用于分析MOSFET切换性能的等效电路模型。器件的切换性能取决于为了跨器件的寄生电容建立电压改变而需要的时间。R_G代表MOSFET的栅极的分布式电阻。L_S和L_D分别代表MOSFET的源极和漏极引线电感。C_GD代表MOSFET的栅极到漏极电容(即米勒电容)并且是电压的非线性函数。C_GS和C_DS分别代表MOSFET的栅极到源极电容和漏极到源极电容。最后，等效电路图示了跨MOSFET的漏极和源极的体-漏极二极管。