半导体开关管的驱动电路、驱动芯片及驱动控制方法
阅读说明：本技术 半导体开关管的驱动电路、驱动芯片及驱动控制方法 (Drive circuit, drive chip and drive control method of semiconductor switch tube ) 是由 文鹏 林官秋 曾国梁 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明揭示了一种半导体开关管的驱动电路、驱动芯片及驱动控制方法,所述驱动电路能耦接一半导体开关管,所述驱动电路包括基极驱动电流控制电路及基极发射极控制电路；基极驱动电流控制电路耦接所述半导体开关管的基极,用以在所述驱动电路处于第一状态下控制所述半导体开关管导通；还用以在所述驱动电路处于第二状态下控制所述半导体开关管基极的电流小于设定阈值；基极发射极控制电路用以在设定条件达到时控制所述半导体开关管的基极及发射极之间短路。本发明提出的用于半导体开关管的驱动电路、驱动芯片及驱动控制方法,可在满足设定条件时强制关断半导体开关管,提高驱动控制的可靠性,防止半导体开关管因长时间工作在放大区而损坏。(The invention discloses a drive circuit, a drive chip and a drive control method of a semiconductor switch tube, wherein the drive circuit can be coupled with the semiconductor switch tube and comprises a base drive current control circuit and a base emitter control circuit; the base electrode driving current control circuit is coupled with the base electrode of the semiconductor switch tube and used for controlling the semiconductor switch tube to be conducted when the driving circuit is in a first state; the current of the base electrode of the semiconductor switching tube is controlled to be smaller than a set threshold value when the driving circuit is in a second state; the base emitter control circuit is used for controlling short circuit between the base and the emitter of the semiconductor switch tube when a set condition is reached. The driving circuit, the driving chip and the driving control method for the semiconductor switch tube provided by the invention can forcibly turn off the semiconductor switch tube when set conditions are met, improve the reliability of driving control and prevent the semiconductor switch tube from being damaged due to long-time work in an amplification region.)
技术领域
本发明属于微电子技术领域，涉及一种驱动电路，尤其涉及一种半导体开关管的驱动电路、驱动芯片及驱动控制方法。
背景技术
三极管(简称BJT)为电流驱动的半导体开关管，图1中IB(t)为BJT的基极驱动电流，Vce(t)为BJT集电极和发射极之间的电压，Ic(t)为BJT集电极电流。开关时间按照上图的定义：延时时间：td＝t1’-t0；上升时间：tr＝t2’-t1；储存时间：ts＝t4’-t3；下降时间：tf＝t5-t4。
与MOSFET不同，BJT的驱动时序中多了一个存储时间阶段，可持续数个us，反映BJT的“电流拖尾”效应。BJT存储时间随着工作状态的变化而变化，一定程度上影响了对开关管的控制。为了使BJT关断可控，不仅要将BJT的驱动电流减小为0，还需施加一段负电流，这个措施称为“强制关断”，如图2所示。强制关断的过程，即是强制抽取Base的过剩载流子，会对电路能量造成浪费；通常将IB减小为0的时刻称为“预关断点”。
在Flyback电路中，流过BJT的电流近似为三角波。当电感电流达到阈值Ic1时，对BJT实施预关断；当电感电流达到阈值Ic2时，对BJT实施强制关断；根据IC＝IB+IE，预关断时，IB降为0，因此IC会有一个下跌，如图3所示。
BJT预关断和强制关断的设计需做折衷处理：若预关断点和强制关断点太接近，能量浪费较多，BJT损耗大；若预关断点和强制关断点相差太大，BJT可能工作到放大区(如图4所示)，损耗很大，引起芯片损坏。因此，BJT的驱动电流设计困难，往往带有一定的经验性。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的开关管驱动电路，以便克服现有驱动电路存在的上述至少部分缺陷。
发明内容
本发明提供一种半导体开关管的驱动电路、驱动芯片及驱动控制方法，可提高驱动控制的可靠性，防止开关管因长时间工作在放大区而损坏。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：
一种半导体开关管的驱动电路，所述驱动电路能耦接一半导体开关管，所述驱动电路包括：
基极驱动电流控制电路，耦接所述半导体开关管的基极，用以在所述驱动电路处于第一状态下控制所述半导体开关管导通；还用以在所述驱动电路处于第二状态下控制所述半导体开关管基极的电流小于设定阈值；以及
基极发射极短路控制电路，用以在设定条件达到时控制所述半导体开关管的基极与发射极之间短路。
作为本发明的一种实施方式，所述基极发射极控制电路包括：
第二开关管，其第一端耦接所述半导体开关管的基极，所述第二开关管的第二端耦接所述半导体开关管的发射极；以及
第二开关管驱动电路，耦接所述第二开关管，用以在设定条件达到时控制所述第二开关管导通。
作为本发明的一种实施方式，所述设定条件包括达到如下条件的至少一个：
(1)流过所述半导体开关管的电流达到第一阈值，且超过设定时间；
(2)流过所述半导体开关管的电流达到第二阈值；其中，所述第二阈值大于所述第一阈值；
(3)所述半导体开关管已经进入放大区。
作为本发明的一种实施方式，所述基极驱动电流控制电路包括：
第一开关管，耦接所述半导体开关管的基极；
第一开关管驱动电路，耦接所述第一开关管，用以控制所述第一开关管的开关状态；
半导体开关管驱动电路，通过所述第一开关管耦接所述半导体开关管的基极，用以在所述第一开关管导通时驱动所述半导体开关管工作。
作为本发明的一种实施方式，所述驱动电路进一步包括：PWM调制电路，用以调制PWM信号；所述PWM调制电路的输出端耦接所述第一开关管驱动电路的输入端。
作为本发明的一种实施方式，所述基极驱动电流控制电路耦接所述PWM调制电路；
所述第一状态，指所述PWM调制电路输出设定PWM信号的状态；
所述第二状态，指在流过所述半导体开关管的电流达到第一阈值的状态。
作为本发明的一种实施方式，所述驱动电路进一步包括：
幅度调制电路，用以生成对应第一阈值的第一电压信号；
第一比较器，其同相输入端耦接所述半导体开关管发射极的电压，其反相输入端耦接对应所述第一阈值的第一电压信号；所述第一比较器的输出端耦接所述第一开关管驱动电路。
作为本发明的一种实施方式，所述驱动电路进一步包括：计时单元，分别耦接第一比较器及第二开关管驱动电路，用以对第一比较器的设定输出进行计时。
作为本发明的一种实施方式，所述驱动电路进一步包括：
幅度调制电路，用以生成对应第二阈值的第二电压信号；
第二比较器，其同相输入端耦接所述半导体开关管发射极的电压，其反相输入端耦接对应所述第二阈值的第二电压信号；所述第二比较器的输出端耦接所述第二开关管驱动电路。
作为本发明的一种实施方式，所述驱动电路进一步包括：放大区判定模块，用以判断所述半导体开关管是否已经进入放大区；所述放大区判定模块的输出端耦接所述第二开关管驱动电路。
根据本发明的另一个方面，采用如下技术方案：一种半导体开关管的驱动控制方法，所述驱动控制方法包括：
在半导体开关管的驱动电路处于第一状态下，控制所述半导体开关管导通；
在半导体开关管的驱动电路处于第二状态下，控制所述半导体开关管基极的驱动电流小于设定阈值；
在设定条件达到时，控制所述半导体开关管的基极及发射极之间短路。
作为本发明的一种实施方式，所述设定条件包括如下条件的至少一个：
(1)流过所述半导体开关管的电流达到第一阈值，且超过设定时间；
(2)流过所述半导体开关管的电流达到第二阈值；其中，所述第二阈值大于所述第一阈值；
(3)所述半导体开关管已经进入放大区。
作为本发明的一种实施方式，所述驱动控制方法进一步包括：在设定条件达到时，控制耦接所述半导体开关管的基极及发射极的第二开关管导通。
作为本发明的一种实施方式，所述驱动电路包括PWM调制电路；
所述第一状态，指所述PWM调制电路输出设定PWM信号的状态；
所述第二状态，指在流过所述半导体开关管的电流达到第一阈值的状态。
根据本发明的又一个方面，采用如下技术方案：一种半导体开关管的驱动芯片，所述驱动芯片包括上述任一项所述的半导体开关管的驱动电路。
本发明的有益效果在于：本发明提出的用于半导体开关管的驱动电路、驱动芯片及驱动控制方法，可在满足设定条件时强制关断半导体开关管，提高驱动控制的可靠性，防止半导体开关管因长时间工作在放大区而损坏。
附图说明
图1为现有BJT的驱动时序图。
图2为现有BJT施加一段负电流强制关断的驱动时序图。
图3为现有BJT强制关断后BJT集电极电流出现下跌的示意图。
图4为现有BJT强制关断后BJT集电极电流出现下跌的示意图。
图5为现有BJT工作到放大区的示意图。
图6为本发明一实施例中半导体开关管的驱动电路的使用示意图。
图7为本发明一实施例中半导体开关管的驱动电路的组成示意图。
图8为本发明一实施例中驱动电路的控制时序图。
图9为本发明一实施例中放大区判定模块的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
说明书中各个实施例中的步骤的表述只是为了方便说明，本申请的实现方式不受步骤实现的顺序限制。
说明书中的“耦接”或“连接”既包含直接连接，也包含间接连接，如通过一些有源器件、无源器件或电传导媒介进行的连接；还可包括本领域技术人员公知的在可实现相同或相似功能目的的基础上通过其他有源器件或无源器件的连接，如通过开关、跟随电路等电路或部件的连接。
本发明揭示了一种半导体开关管的驱动电路，图6为本发明一实施例中半导体开关管的驱动电路的使用示意图，图7为本发明一实施例中半导体开关管的驱动电路的组成示意图；请参阅图6、图7，所述驱动电路能耦接一半导体开关管Q1(如可以是电流驱动半导体开关管BJT)，所述驱动电路包括：基极驱动电流控制电路1以及基极发射极控制电路2。
所述基极驱动电流控制电路1耦接所述半导体开关管Q1的基极，用以在所述驱动电路处于第一状态下控制所述半导体开关管Q1导通；所述基极驱动电流控制电路1还用以在所述驱动电路处于第二状态下控制所述半导体开关管Q1基极的电流小于设定阈值(如可以为0，也可以是其他设定阈值)。
所述基极发射极控制电路2用以在设定条件达到时控制所述半导体开关管Q1的基极与发射极之间短路。
在本发明的一实施例中，所述设定条件包括达到如下条件的至少一个：(1)流过所述半导体开关管的电流达到第一阈值(如第一阈值可以对应当Vcs＝Vcs_ref1时，流过半导体开关管的电流)，且超过设定时间；(2)流过所述半导体开关管的电流达到第二阈值(如第二阈值可以对应当Vcs＝Vcs_ref2时，流过半导体开关管的电流)；其中，Vcs_ref2大于Vcs_ref1；(3)所述半导体开关管已经进入放大区(可通过放大区判定模块7进行判定)。进入放大区的特征是半导体开关管的导通阻抗显著增大。
在一实施例中，所述驱动电路进一步包括放大区判定模块(如可以是BJT放大区判定模块)7；所述放大区判定模块7用以判断所述半导体开关管Q1是否已经进入放大区；所述放大区判定模块7的输出端耦接第二开关管驱动电路20的输入端。放大区判定模块7判定BJT是否已经进入放大区，判定依据可以是参考电压VFB超过某一阈值。而参考电压VFB电压信号可以由辅助绕组电压经过电阻分压获取。
图9揭示了放大区判定模块的基本原理，当BJT充分导通时，参考电压VFB有一定的负压，当BJT进入放大区时，参考电压VFB电压会逐渐增大变为正值，可以据此判定BJT已经进入放大区，必须尽快强制关断BJT。
请参阅图7，在本发明的一实施例中，所述基极发射极控制电路2可以包括：第二开关管S2及第二开关管驱动电路(也可以称之为S2驱动器)20。所述第二开关管S2的第一端耦接所述半导体开关管Q1的基极，所述第二开关管S2的第二端耦接所述半导体开关管Q1(BJT)的发射极；所述第二开关管驱动电路20耦接所述第二开关管Q1，用以在设定条件达到时控制所述第二开关管Q1导通。
请继续参阅图7，在本发明的一实施例中，所述基极驱动电流控制电路1可以包括：第一开关管S1、第一开关管驱动电路(也可以称之为S1驱动器)10及半导体开关管驱动电路(也可以称之为BJT驱动器)11。所述第一开关管S1耦接所述半导体开关管Q1的基极；第一开关管驱动电路10耦接所述第一开关管S1，用以控制所述第一开关管S1的开关状态。如图8所示，在PWM信号处于第一电平(例如高电平)时，第一开关管驱动电路控制第一开关管导通。当流过三极管BJT的电流达到第一阈值Vcs_ref1时，第一开关管驱动电路控制第一开关管关断。半导体开关管驱动电路11通过所述第一开关管S1耦接所述半导体开关管Q1的基极，用以在所述第一开关管S1导通时驱动所述半导体开关管Q1工作。
如图7所示，在本发明的一实施例中，所述驱动电路进一步包括PWM调制电路3，所述PWM调制电路3用以调制PWM信号；所述PWM调制电路3的输出端耦接所述第一开关管驱动电路10的输入端。
在一实施例中，所述基极驱动电流控制电路1耦接所述PWM调制电路3。所述第一状态，指所述PWM调制电路输出设定PWM信号的状态(PWM信号用来为半导体开关管Q1的基极提供驱动电流，控制半导体开关管Q1导通)；所述第二状态，指在流过所述半导体开关管的电流达到第一阈值的状态。
如图7所示，在本发明的一实施例中，所述驱动电路进一步包括：幅度调制电路(如可以是Vcs幅度调制模块)4、第一比较器5、第二比较器6及计时单元8。所述幅度调制电路4用以生成对应第一阈值的第一电压信号以及对应第二阈值的第二电压信号。所述第一比较器5的同相输入端耦接BJT发射极的电压，第一比较器5的反相输入端耦接对应所述第一阈值的第一电压信号；所述第一比较器5的输出端耦接所述第一开关管驱动电路10。所述第二比较器6的同相输入端耦接BJT发射极的电压，第二比较器6的反相输入端耦接对应所述第二阈值的第二电压信号；所述第二比较器6的输出端耦接所述第二开关管驱动电路20。所述计时单元8分别耦接第一比较器5及第二开关管驱动电路20，用以对第一比较器5的设定输出(流过BJT的电流达到第一阈值时的输出)进行计时。
满足流过BJT电流达到第一阈值之后超过一定的时间的条件，可以使流过BJT的电流达到第一阈值时触发计时单元8开始计时；当计时达到某一时间阈值后，触发BJT基极和发射极之间的第二开关管S2导通。
图8揭示了流过BJT电流达到第一阈值Vcs_ref1之后超过一定的时间这个条件导通第二开关管S2的意义。当流过BJT电流达到第一阈值Vcs_ref1之后，如果流过BJT电流不能在一定时间内达到第二阈值Vcs_ref2，说明BJT已经处于放大状态，必须尽快强制关断BJT。
本发明还揭示一种半导体开关管的驱动芯片，所述驱动芯片包括上述任一项所述的半导体开关管的驱动电路。
本发明进一步揭示一种半导体开关管的驱动控制方法，所述驱动控制方法包括：
在半导体开关管的驱动电路处于第一状态下，控制所述半导体开关管导通；在半导体开关管的驱动电路处于第二状态下，控制所述半导体开关管基极的驱动电流为0；
在设定条件达到时，控制所述半导体开关管的基极及发射极之间短路。在本发明的一实施例中，所述设定条件包括如下条件的至少一个：(1)流过所述半导体开关管的电流达到第一阈值，且超过设定时间；(2)流过所述半导体开关管的电流达到第二阈值；其中，所述第二阈值大于所述第一阈值；(3)所述半导体开关管已经进入放大区。
在本发明的一实施例中，所述驱动控制方法进一步包括：在设定条件达到时，控制耦接所述半导体开关管的基极及发射极的第二开关管导通。
在一实施例中，所述驱动电路包括PWM调制电路；所述第一状态，指所述PWM调制电路输出设定PWM信号的状态(PWM信号用来为半导体开关管Q1的基极提供驱动电流，控制半导体开关管Q1导通)；所述第二状态，指在流过所述半导体开关管的电流达到第一阈值的状态。
综上所述，本发明提出的用于半导体开关管的驱动电路、驱动芯片及驱动控制方法，可在满足设定条件时强制关断半导体开关管，提高驱动控制的可靠性，防止半导体开关管因长时间工作在放大区而损坏。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。实施例中所涉及的效果或优点可因多种因素干扰而可能不能在实施例中体现，对于效果或优点的描述不用于对实施例进行限制。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
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