專利名稱：用于驅(qū)動作為同步整流器的功率mos器件的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于驅(qū)動功率半導體器件的方法和裝置，尤其涉及用于驅(qū)動作為同步整流器的功率MOS器件的方法和裝置。
背景技術：
受日益增加的對于提高效率的需求的驅(qū)動，并且由于超低Rdson(導通電阻)功率MOSFET的有效性而使其成為可行，在低壓應用中，用MOSFET代替PN或者Schottky整流二極管變得流行起來。一個典型的實例是汽車的交流發(fā)電機。通過用適當驅(qū)動的MOSFET代替二極管整流橋(其下降超過兩伏特)，人們可以對總的交流發(fā)電機效率提高10％到15％。圖1顯示了這樣的一種現(xiàn)有技術系統(tǒng)，其使用MOSFET代替二極管。
對于這樣一種系統(tǒng)的設計者來說，問題之一是找到一種驅(qū)動FET的方式，其模仿二極管的性能，但沒有二極管的局限性。
本發(fā)明的一個目的是提供驅(qū)動整流MOSFET的方式，其不受現(xiàn)有技術的局限。
圖2，包括圖2A至2C，顯示了一種已知的執(zhí)行圖1中示出的同步整流器MOSFET的方式。
圖2A顯示了該電路的原理，其顯示了一個MOSFET；圖2B顯示了用圖表展示的Id比Vds的靜態(tài)操作；圖2C顯示了圖2A的電路的波形。
當Vds為正時，F(xiàn)ET20的主體二極管是反向偏置的，并且MOSFET關閉。工作點是圖2B的區(qū)段3。如果將一個AC波形加載到該器件上，工作點將最終達到圖2B的點1，在那里滿足條件Vds＝-Von。結(jié)果，Schmidt觸發(fā)器10的輸出將增高，并且功率MOSFET20接通。工作點移向圖2B的區(qū)段4。最終AC波形變?yōu)檎?，并且工作點達到點2。滿足條件Vds＞Voff，并且Schmidt觸發(fā)器將關閉功率MOSFET。
這種電路的實際應用難以實現(xiàn)，因為在一個通常噪聲很大的環(huán)境中，必須緊緊地控制閾值，需要非常低的偏移比較器。在一個典型應用中，對于100A左右的電流，將使用1毫歐的MOSFET。結(jié)果是在點2處，1毫伏的偏移將產(chǎn)生不希望有的1A負電流。該問題的根源在于設計者試圖通過感測一個帶有幾乎為零的寄生電阻的器件兩端的電壓來再現(xiàn)一個電流過零檢測。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種改進的用于操作作為同步整流器的功率MOS器件的電路和方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，MOS器件作為同步整流器來工作，并且僅當電流低時，功率MOS器件的視在(apparent)Rdson人為地增加，致使零交叉檢測變得簡單。根據(jù)一個實施例，功率MOSFET是一個復合晶體管，其由一個具有高Rdson的小晶體管和一個具有低Rdson的大晶體管組成。
在另一個實施例中，一個運算放大器驅(qū)動MOSFET的柵極，該運算放大器在輸入端處有一個偏移基準電壓，致使漏極-源極電流與漏極-源極電壓的關系曲線具有一個閾值，其允許電流過零檢測。
從下面的詳細描述來看，本發(fā)明的其它目標、特征和優(yōu)點將變得很明顯。


參照附圖，在后面詳細描述中，將更詳細地描述本發(fā)明，其中
圖1示意性地顯示了一個已知的用于整流交流發(fā)電機的輸出的同步整流器的實施方式；圖2包括圖2A、2B和2C，顯示了已知的用于驅(qū)動該同步整流器的MOSFET的實施方式、一個用于同步整流器的電流Id比Vds的圖表；和一個顯示Id、Vds、Vgs比時間的圖表；圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個電路；圖4包括圖4A和4B，顯示了圖3的波形；圖5包括圖5A、5B和5C，顯示了更進一步的實施方式，包括Vds比Id的圖表，和Id、Vds、Vgs比時間的函數(shù)的波形；圖6是一個電路圖，其顯示了根據(jù)本發(fā)明的閉環(huán)操作；和圖7是一個根據(jù)本發(fā)明的電路示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在參照附圖，更詳細地描述本發(fā)明。圖3顯示了實施本發(fā)明的一個電路。圖3中顯示的電路的操作如下根據(jù)圖3的功率MOSFET晶體管200包括第一大器件200A和第二小器件200B。第一Schmidt觸發(fā)器100A驅(qū)動器件200A的柵極，第二Schmidt觸發(fā)器100B驅(qū)動器件200B的柵極。如果將一個AC波形加載到用于整流的器件的漏極-源極路徑上，工作點將最終達到圖4A中示出的點1，在那里滿足條件Vds＝-Von1。結(jié)果，Schmidt觸發(fā)器的輸出將增高，并且MOSFET200B將接通。如果電流增加足以達到圖4A的點5，主功率MOSFET200A也將接通。當電流減少致使達到圖4A的點6，主功率MOSFET200A回到關閉狀態(tài)。最終，AC波形將變?yōu)檎?，并且工作點將達到圖4A的點2。滿足條件Vds＞Voff，并且Schmidt觸發(fā)器將完全關閉功率MOSFET(MOSFET200B變?yōu)閿嚅_)。點2處的反向電流是Voff/Rdson1，而不是如現(xiàn)有技術中的Voff/Rdson。通過適當?shù)剡x擇FETM和M1，能夠顯著地提高反向電流，或者能夠選擇較高閾值的電壓。在許多應用中，可以并行地放置M和M1以執(zhí)行幾個晶體管。
圖5A顯示了另一個實施例，其中在一個閉合回路中驅(qū)動功率晶體管的柵極，致使接近零，Id/Vds曲線展示了一個閾值，其使得很容易檢測過零電流而幾乎沒有任何偏移。在此實施例中，運算放大器300驅(qū)動MOSFET200。當圖5A的Vds(區(qū)段3)上的電壓變?yōu)樨摃r，如區(qū)段2所示(見圖5B)，Vgs開始增加以保持條件Vds＝Vf1。最終，運算放大器將在區(qū)域1飽和，并且功率MOSFET將完全接通。功率MOSFET兩端的Vds將隨著區(qū)段1中的電流再次增加。當電流再次降低并且Vds降回Vf1時，運算放大器將保持Vds處于Vf1直到Vgs等于0，其后Vds將再次增加，如區(qū)段3所示。現(xiàn)在用一個廉價的、容易實施的大偏移比較器，能夠非常容易地執(zhí)行零電流檢測。
現(xiàn)在參照圖6，示出了一個Vds電壓控制回路60?？刂苹芈?0驅(qū)動MOSFET62而致使其模擬一個理想二極管?？刂苹芈?0描述了一個普通伺服回路，其具有一個求和元件66、一個可選校正電路67和一個增益元件68。在求和點66處的+和-標志表示運算放大器300(圖5A)的同相和倒相輸入。校正電路67是一個頻率補償網(wǎng)絡，根據(jù)經(jīng)典系統(tǒng)控制理論，其運行以在動態(tài)響應、穩(wěn)定性和永久誤差之間獲得一個合適的權(quán)衡。校正電路67是任選的，因為運算放大器模型是可用的，通常利用閉環(huán)控制合并所使用的內(nèi)部補償。
閉環(huán)控制60的操作提供的一個特征是保持功率MOSFET62兩端的大約-20毫伏的電壓降?？刂苹芈?0根據(jù)一原則操作，即用閉環(huán)反饋驅(qū)動MOSFET62的柵極，以關于一個-20毫伏基準64保持Vds電壓恒定。當Vds為正時，MOSFET62關閉，并且通過控制回路60的操作，當Vds變?yōu)樨摃r，MOSFET62完全接通?？刂苹芈?0是一個簡單的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，其提供一個線性反饋控制。根據(jù)控制回路60提供的控制，MOSFET62的操作獲得同步整流，其中MOSFET62作為一個具有平滑操作的理想二極管出現(xiàn)?？刂苹芈?0提供MOSFET62的操作，致使當MOSFET62在一個負象限(圖5B)操作時，MOSFET62具有一個同相Vds/Vgs增益。MOSFET62的參數(shù)轉(zhuǎn)平滑且穩(wěn)定的，致使極大地減少了EMI干擾，從而提供明顯的操作增強。當Vds電壓降超過基準64的值時，控制回路60確保MOSFET62保持在完全接通狀態(tài)。
現(xiàn)在參照圖7，根據(jù)本發(fā)明的實施例的一個示意圖一般顯示為電路70。同步整流電路70基于一個小的負電壓基準71提供用于MOSFET75、77的Vds電壓控制。電路70提供的閉環(huán)控制優(yōu)選地具有一個線性增益，并且提供一個合適的閉環(huán)控制技術以確保MOSFET75、77模擬一個理想二極管。MOSFET75、77顯示為平行操作，但可以合并為一個單獨的MOS器件，例如，具有一個單獨的柵極控制。
在受高EMI或者噪聲干擾的苛刻環(huán)境中，可以修改圖7中闡明的電路，以具有改進的dv/dt抗擾性。例如，可以提供一個Vgs比較器，當柵極電壓低于MOSFET閾值時，將柵極74、76縮短至源極78、79。Vgs比較器將Vgs的值與一個低于MOSFET75、77的閾值電壓的固定電壓值比較。當MOSFET75、77中的電流接近零時，閉環(huán)控制傾向于將柵極74、76拉到零，因為閉環(huán)控制試圖將Vds電壓保持在等于期望值。Vgs比較器產(chǎn)生一個指示Vgs具有低電壓值的邏輯信號。將該邏輯信號用作一個安全值，以通過接通柵極74、76和源極78、79之間的低阻抗通路，避免在有干擾的環(huán)境中MOSFET75、77的錯誤導通(false conduction)。
因為電路70的簡單和緊湊，執(zhí)行該閉環(huán)控制技術所使用的元件可以是與功率MOSFET75、77分開的，或者是直接嵌入在MOSFET75、77中作為它們的控制功能的一部分。例如，電路70可以集成到一個包括功率MOSFET75和/或77的元件中。通過提供一個閉環(huán)控制，本發(fā)明消除了振蕩，該振蕩可能由于Vds電壓閾值中的不穩(wěn)定性或者不一致性引起，例如，可以由制造公差引起。因此，即使受控制的MOSFET具有不同的閾值或者由于元件公差操作上有變化，閉環(huán)控制也能夠消除根據(jù)本發(fā)明的實施例操作的同步整流器中的操作變化。通過提供更好的閉環(huán)性能，Vds轉(zhuǎn)變變得更為平滑，因而提高了元件EMI性能。
盡管已經(jīng)參照其中的特定實施例描述描述了本發(fā)明，然而對于本領域普通技術人員來說，很多其它改變和修改以及其它應用將變得很明顯。因此，本發(fā)明不應當由此處特定公開來限定，而應由所附的權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種同步整流器，包括一個MOSFET器件；和一個柵極驅(qū)動器，用于驅(qū)動該MOSFET器件的柵極，該MOSFET器件包括耦接的第一和第二MOSFET晶體管，第一和第二MOSFET晶體管的漏極-源極路徑平行以通過MOSFET晶體管的漏極-源極路徑接收用于整流的交流電波形，第一晶體管具有一個低導通電阻，第二晶體管具有一個高導通電阻，藉此，當流過該MOSFET器件的電流低于一個閾值時，該MOSFET器件的視在導通電阻增加，從而實現(xiàn)過零檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的同步整流器，其中該柵極驅(qū)動器包括一個Schmidt觸發(fā)器，該Schmidt觸發(fā)器輸出端耦接到MOSFET器件的柵極，并且Schmidt觸發(fā)器的輸入端耦接到MOSFET的漏極-源極路徑的兩端。
3.如權(quán)利要求2所述的同步整流器，其中該Schmidt觸發(fā)器包括兩個Schmidt觸發(fā)器，一個用于具有低導通電阻的第一晶體管，另一個用于具有高導通電阻的第二晶體管。
4.如權(quán)利要求2所述的同步整流器，其中該Schmidt觸發(fā)器的輸入端耦接到MOSFET器件的漏極-源極電壓的兩端。
5.一個同步整流器，包括一個功率MOS器件和一個驅(qū)動該功率MOS器件的柵極的放大器，該放大器具有一個耦接到該功率MOS器件的漏極或者源極中的一個的第一輸入端和耦接到基準電壓的第二輸入端，該基準電壓耦接到第二輸入端和該功率MOS器件的漏極或者源極中的另一個之間，藉此，當MOSFET兩端的漏極-源極電壓接近基準電壓時，放大器將漏極-源極電壓保持在基準電壓直到柵極-源極電壓近似等于零，從而能夠用一個偏移比較器實現(xiàn)過零電流檢測。
6.一種驅(qū)動作為同步整流器的MOSFET的方法，包括當流經(jīng)MOSFET的漏極-源極路徑的電流低于一個閾值級別時，增加MOSFET的視在漏極至源極導通電阻(Rdson)，從而實現(xiàn)過零檢測。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，進一步包括提供兩個漏極-源極路徑平行的MOSFET，一個MOSFET具有高導通電阻，另一個具有低導通電阻。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，進一步包括感測MOSFET的漏極-源極路徑兩端的電壓，首先接通具有高導通電阻的MOSFET，并且當電流增加超過一個開閾值級別時，接通具有低導通電阻的MOSFET。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括當電流減少低于一個關閾值級別時，斷開具有低導通電阻的MOSFET，其后當電流進一步降低時，斷開具有高導通電阻的MOSFET。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中開閾值級別和關閾值級別是不同的。
11.如權(quán)利要求6所述的方法，其中通過提供一個偏移電壓以保持漏極-源極電壓充分恒定直到柵極-源極電壓近似于零，在低于所述閾值級別的電流級別時增加視在漏極-源極導通電阻。
12.一種用于驅(qū)動作為同步整流器的功率MOSFET的方法，包括耦接漏極-源極路徑平行的第一和第二MOSFET器件，以通過該漏極-源極路徑接收用于整流的交流電波形，第一MOSFET具有一個低導通電阻，第二MOSFET具有一個高導通電阻，藉此，當流過該MOSFET的電流低于一個閾值時，這兩個平行的MOSFET的視在導通電阻增加從而實現(xiàn)過零檢測。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，進一步包括耦接Schmidt觸發(fā)器的輸入端，其中該觸發(fā)器的輸出端耦接到MOSFET的柵極，并且感測MOSFET兩端的漏極-源極電壓以確定何時接通和斷開第一和第二MOSFET。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，包括提供兩個Schmidt觸發(fā)器，一個用于具有低導通電阻的第一MOSFET，另一個用于具有高導通電阻的第二MOSFET。
15.一種用于驅(qū)動包括功率MOS器件的同步整流器的方法，方法包括提供一個驅(qū)動功率MOS器件的柵極的放大器，該放大器具有一個耦接到該功率MOS器件的漏極或者源極中的一個的第一輸入端和耦接到基準電壓的第二輸入端，該基準電壓耦接到第二輸入端和該功率MOS器件的漏極或者源極中的另一個之間，當MOSFET兩端的漏極-源極電壓接近基準電壓時，將漏極-源極電壓保持在基準電壓處直到柵極-源極電壓近似等于零，從而能夠用偏移比較器實現(xiàn)電流過零檢測。
16.一個同步整流器，包括一個用于提供整流操作的MOSFET器件；一個耦接到該MOSFET器件的漏極和源極中的至少一個的反饋信號；一個控制電路，所述控制電路耦接到所述反饋信號并且可操作地提供一個柵極控制信號；該柵極控制信號被加載到該MOSFET器件的一個柵極，并且可操作地保持整流操作；和一個耦接到控制電路的基準電壓，該控制電路用于對閉環(huán)控制起作用，藉此MOSFET器件模仿一個理想二極管。
17.如權(quán)利要求16所述的同步整流器，其中所述控制電路和基準電壓被集成到一個帶有MOSFET器件的公用元件中。
18.一種用于控制MOSFET Vds電壓的方法，包括獲得一個電壓基準，該電壓基準對提供至MOSFET的控制信號起作用；操作一個與所述基準電壓結(jié)合的閉環(huán)控制以將所述控制信號提供給MOSFET；基于一個MOSFET參數(shù)將一個反饋提供給的所述閉環(huán)控制，藉此控制MOSFET的Vds電壓以模擬一個理想二極管。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，進一步包括以所述閉環(huán)控制提供一個線性增益。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，進一步包括降低與Vds電壓閾值中的變化相關的靈敏度。
全文摘要
一個同步整流器，其包括一個MOSFET器件和一個用于驅(qū)動該MOSFET器件的柵極的柵極驅(qū)動器，該MOSFET器件包括耦接的第一和第二MOSFET晶體管，它們的漏極－源極路徑平行，以通過MOSFET晶體管的漏極－源極路徑接收一個用于整流的交流電波形，第一晶體管具有低導通電阻，第二晶體管具有高導通電阻，藉此，當流過該MOSFET器件的電流低于一個閾值時，該MOSFET器件的視在導通電阻增加，從而實現(xiàn)過零檢測。
文檔編號H02M7/00GK1985431SQ200380102332
公開日2007年6月20日 申請日期2003年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月11日
發(fā)明者B·C·那達, X·德富如特斯, A·墨瑞爾 申請人:國際整流器公司