通過調節基極電流來驅動雙極結型晶體管的系統和方法
【專利說明】通過調節基極電流來驅動雙極結型晶體管的系統和方法
[0001]本申請是申請日為2011年6月20日、題為“通過調節基極電流來驅動雙極結型晶體管的系統和方法”的中國發明專利申請N0.201110171960.0的分案申請。
技術領域
[0002]本發明涉及集成電路。更具體地，本發明提供了用于驅動雙極結型晶體管(bipolar junct1n transistor)的系統和方法。僅僅作為示例，本發明已被應用來利用隨著時間改變的基極電流驅動雙極結型晶體管。但是將認識到，本發明具有寬得多的應用范圍。
【背景技術】
[0003]雙極結型晶體管(BJT)已被廣泛用作電源電子系統中的電源開關。圖1㈧示出了傳統N-P-N雙極結型晶體管(BJT)的簡化剖面圖。N-P-N BJT 102包括P型摻雜層106、η型輕摻雜層108和η型重摻雜層110。層110被連接到端子118 (例如，表示集電極的端子“C”)，并且層108用作集電極漂移區域。如圖1(A)所示，在層106中有三個重摻雜區域，包括P型重摻雜區域112和兩個η型重摻雜區域114。區域112連接到端子116 (例如，表示基極的端子“B”)，并且區域114連接到端子120(例如，表示發射極的端子“Ε”)。通常，通過向區域112注入電流來使N-P-N BJT 102導通，該電流使得電子從區域114流向層110。圖1(B)示出了傳統N-P-N雙極結型晶體管102的簡化示意符號。該示意符號104包括分別表示基極、集電極和發射極的端子116、118和120。端子120的箭頭122指示了當N-P-NBJT 102導通時電流的流向。
[0004]圖2是示出作為N-P-N BJT 102的集電極到發射極電壓的函數的集電極電流的簡化傳統示圖。如圖所示，N-P-N BJT至少可以在線性區域、準飽和區域(quas1-saturat1nreg1n)和硬飽和區域(hard saturat1n reg1n)中工作。在線性區域中，對于特定的基極電流(例如，Ib)，集電極電流(例如，I。)相對于集電極到發射極電壓(例如，VcJ保持恒定。另外，如果集電極到發射極電壓(例如，VJ充分地被減小，則BJT 102進入準飽和區域，并且如果集電極到發射極電壓(例如，Vce)被進一步充分減小，則BJT 102進入硬飽和區域。
[0005]通常要求電源電子系統中的電源開關提供高的開關速度、低的導通狀態輸出阻抗和高的截止狀態輸出阻抗。因此，作為電源開關，當BJT 102導通時BJT 102通常工作在硬飽和區域，以使輸出阻抗保持較低。然而，在硬飽和區域中，BJT 102的最大開關頻率通常受到限制。例如，當BJT 102進入硬飽和區域時，許多少數載流子被累積在基極中；因此，在BJT 102可被截止之前通常需要移除這些少數載流子。移除累積的少數載流子所需的時間被稱為存儲時間，其表示即使在基極電流下降到接近零時BJT 102仍導通的時間。因此，少數載流子的存儲時間可能限制BJT 102的最大開關頻率。
[0006]為了提高BJT 102的最大開關頻率，需要減少存儲在基極中的少數載流子的量。例如，負基極電流被用來從BJT 102的基極掃除少數載流子。但是，當BJT 102工作在硬飽和區域時，通常難以利用負基極電流來快速地使BJT 102截止，這是因為在使BJT 102截止之前，載流子將被存儲到BJT 102的基極區域中。
[0007]在另一示例中，為了減少存儲在基極中的少數載流子的量，防止BJT 102進入硬飽和區域，以使得可以使BJT 102快速地截止。但是，該方法可能大幅增加了 BJT 102的導通狀態功耗。為了生成相同集電極電流，對于同一基極電流，集電極到發射極電壓(例如，Vce)在準飽和區域中比在硬飽和區域中要高。
[0008]圖3(A)示出了傳統反激式電源變換系統的簡化示圖。反激式電源變換系統300至少包括BJT 304、控制器306和電阻器308。BJT 304(例如，BJT 102)被用作電源開關，并且控制器306被用來驅動BJT 304。BJT 304包括發射極、集電極和基極，并且控制器306包括端子310和312。BJT 304的發射極連接到電阻器308，并且BJT 304的基極通過端子310 (例如，端子“DRV”)連接到控制器306。如圖3(A)所示，控制器306通過端子310來提供基極電流305以使BJT 304導通或截止。如果BJT 304導通，則BJT 304的發射極電流流經電阻器308，該電阻器308生成電壓信號309。電壓信號309由控制器306通過端子312 (例如，端子“CS”)接收。
[0009]圖3(B)是反激式電源變換系統300的簡化傳統時序圖。波形314表示作為時間的函數的BJT 304的導通和截止條件，波形316表示作為時間的函數的基極電流305，并且波形318表示作為時間的函數的電壓信號309。如圖3(B)所示，當BJT 304導通時(例如，在h期間)，基極電流305保持恒定，并且電壓信號309隨著時間增大。
[0010]驅動BJT 304的該傳統技術可以使BJT 304導通，并且快速地將BJT304驅動為硬飽和，以減少導通過程期間的功耗。但是，恒定的基極電流305 (例如，如h期間的波形316所示的)通常使得更加難以在截止過程期間掃除存儲在BJT 304基極中的少數載流子。因此，BJT 304的截止過程常常較長，并且BJT 304的功耗可能較高。
[0011]因此，非常希望改進驅動雙極結型晶體管的技術。
【發明內容】
[0012]本發明涉及集成電路。更具體地，本發明提供了用于驅動雙極結型晶體管的系統和方法。僅僅作為示例，本發明已被應用來利用隨著時間改變的基極電流驅動雙極結型晶體管。但是將認識到，本發明具有寬得多的應用范圍。
[0013]根據一個實施例，一種用于驅動用于電源變換器的雙極結型晶體管的系統包括:電流生成器，被配置為向雙極結型晶體管輸出驅動電流信號以調節流經電源變換器的初級繞組的初級電流。電流生成器還被配置來:輸出驅動電流信號以使雙極結型晶體管在第一時間段、第二時間段和第三時間段期間導通，第二時間段將第一時間段與第三時間段分離開。此外，電流生成器還被配置來在第一時間段和第二時間段期間驅動雙極結型晶體管在硬飽和區域中工作。而且，電流生成器還被配置來在第三時間段期間驅動雙極結型晶體管在準飽和區域中工作。第一時間段在第一時間處開始并在第二時間處結束。第二時間段在第三時間處開始并在第四時間處結束。另外，第三時間段在第五時間處開始并在第六時間處結束。驅動電流信號在第一時間處等于第一電流，在第二時間處等于第二電流，在第三時間處等于第三電流，在第四時間處等于第四電流，在第五時間處等于第五電流，并且在第六時間處等于第六電流。第二電流的大小大于第三電流，并且第四電流的大小大于第五電流。
[0014]根據另一實施例，一種用于驅動用于電源變換器的雙極結型晶體管的方法包括:生成驅動電流信號；以及向雙極結型晶體管輸出驅動電流信號以調節流經電源變換器的初級繞組的初級電流。用于向雙極結型晶體管輸出驅動電流信號的處理包括:輸出驅動電流信號以使雙極結型晶體管在第一時間段、第二時間段和第三時間段期間導通，第二時間段將第一時間段與第三時間段分離開。用于向雙極結型晶體管輸出驅動電流信號的處理還包括:在第一時間段和第二時間段期間驅動雙極結型晶體管在硬飽和區域中工作。此外，用于向雙極結型晶體管輸出驅動電流信號的處理包括:在第三時間段期間驅動雙極結型晶體管在準飽和區域中工作。第一時間段在第一時間處開始并在第二時間處結束。第二時間段在第三時間處開始并在第四時間處結束。另外，第三時間段在第五時間處開始并在第六時間處結束。驅動電流信號在第一時間處等于第一電流，在第二時間處等于第二電流，在第三時間處等于第三電流，在第四時間處等于第四電流，在第五時間處等于第五電流，并且驅動電流信號在第六時間處等于第六電流。第二電流的大小大于第三電流。第四電流的大小大于第五電流。
[0015]根據又一實施例，一種用于驅動用于電源變換器的雙極結型晶體管的系統包括:電流生成器，被配置為向雙極結型晶體管輸出驅動電流信號以調節流經電源變換器的初級繞組的初級電流。電流生成器還被配置來在第一時間段和第二時間段期間驅動雙極結型晶體管在硬飽和區域中工作。第一時間段之后是第二時間段。第一時間段在第一時間處開始并在第二時間處結束，并且第二時間段在第三時間處開始并在第四時間處結束。驅動電流信號在第一時間處等于第一電流，在第二時間處等于第二電流，在第三時間處等于第三電流，并且在第四時間處等于第四電流。電流生成器還被配置來:接收與初級電流相關聯的反饋信號；以及至少在第二時間段期間至少基于與反饋信號相關聯的信息來生成驅動電流信號。第二電流的大小大于第三電流，并且第二時間與第三時間相同。
[0016]根據又一實施例，一種用于驅動用于電源變換器的雙極結型晶體管的方法包括:生成驅動電流信號；以及向雙極結型晶體管輸出驅動電流信號以調節流經電源變換器的初級繞組的初級電流。用于向雙極結型晶體管輸出驅動電流信號的處理包括在第一時間段和第二時間段期間驅動雙極結型晶體管在硬飽和區域中工作。用于在第一時間段和第二時間段期間驅動雙極結型晶體管在硬飽和區域中工作的處理包括:接收與初級電流相關聯的反饋信號；以及至少在第二時間段期間至少基于與反饋信號相關聯的信息來生成驅動電流信號。第一時間段之后是第二時間段。第一時間段在第一時間處開始并在第二時間處結束。第二時間段在第三時間處開始并在第四時間處結束。驅動電流信號在第一時間處等于第一電流，在第二時間處等于第二電流，在第三時間處等于第三電流，在第四時間處等于第四電流。第二電流的大小大于第三電流，并且第二時間與第三時間相同。
[0017]根據又一實施例，一種用于驅動用于電源變換器的雙極結型晶體管的系統包括:電流生成器，被配置為向雙極結型晶體管輸出驅動電流信號以調節流經電源變換器的初級繞組的初級電流。電流生成器還被配置來輸出驅動電流信號以使雙極結型晶體管在第一時間段和第二時間段期間導通，第一時間段之后是第二時間段。此外，電流生成器還被配置來在第一時間段期間驅動雙極結型晶體管在硬飽和區域中工作。并且，電流生成器還被配置來在第二時間段期間驅動雙極結型晶體管在準飽和區域中工作。第一時間段在第一時間處開始并在第二時間處結束。第二時間段在第三時間處開始并在第四時間處結束。驅動電流信號在第一時間處等于第一電流，在第二時間處等于第二電流，在第三時間處等于第三電流，并且在第四時間處等于第四電流。電流生成器還被配置來:接收與初級電流相關