用于含常導(dǎo)通晶體管和常關(guān)斷晶體管的開關(guān)的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于含常導(dǎo)通晶體管和常關(guān)斷晶體管的開關(guān)的系統(tǒng)和方法
[0001]相關(guān)串請的交叉引用
[0002]本申請涉及如下共同待決共同轉(zhuǎn)讓的專利申請:_提交的、序列號為_、代理人案號為INF 2014 P 50928，通過引用將該申請整體合并于本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開一般地涉及電子裝置，并且特別地涉及用于具有常導(dǎo)通晶體管和常關(guān)斷晶體管的開關(guān)的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]電源系統(tǒng)在從計算機到汽車的很多電子應(yīng)用中無處不在。一般地，電源系統(tǒng)內(nèi)的電壓由通過操作具有電感器或者變壓器的開關(guān)執(zhí)行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC轉(zhuǎn)換生成。一類這樣的系統(tǒng)包括開關(guān)式電源(SMPS)。SMPS通常比其他類型的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更有效率，因為通過電感器或者變壓器的受控地充電和放電來執(zhí)行電源轉(zhuǎn)換，并且減少由電阻性電壓降弓I起功率損耗的能量損耗。
[0005]其中，SMPS的具體拓撲包括降壓-升壓轉(zhuǎn)換器以及反激式轉(zhuǎn)換器。降壓-升壓轉(zhuǎn)換器一般使用電感器，而反激式轉(zhuǎn)換器將負載隔離并且通過使用變壓器可以將電壓轉(zhuǎn)換比倍增。除能量儲存元件(電感器或變壓器)外，開關(guān)的操作尤其重要，尤其是在高電壓應(yīng)用中。
[0006]關(guān)于在高電壓環(huán)境中操作半導(dǎo)體開關(guān)出現(xiàn)的一個問題是避免由于施加到半導(dǎo)體開關(guān)的高電壓造成器件毀壞。一些系統(tǒng)依賴使用專門設(shè)計的用來承受在高電壓電源中遇到的高總線電壓的器件。然而，即便使用高電壓器件，仍然存在關(guān)于確保電源電路中的器件能夠承受開關(guān)式電源內(nèi)可能出現(xiàn)的高電壓瞬變情況的一些設(shè)計挑戰(zhàn)。例如，在一些開關(guān)式電源中，電源電路內(nèi)的瞬變電壓可能超過電源系統(tǒng)內(nèi)存在的DC或者靜態(tài)總線電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]根據(jù)實施例，一種電路包括常關(guān)斷晶體管和常導(dǎo)通晶體管，該常導(dǎo)通晶體管包括耦合到該常關(guān)斷晶體管的第一負載路徑端子的第二負載路徑端子以及耦合到該常關(guān)斷晶體管的第二負載路徑端子的控制端子。該電路進一步包括具有耦合到常關(guān)斷晶體管的控制端子的輸出、配置成耦合到第一電源的第一電源端子的第一電源端子以及配置成耦合到第二電源的第二電源端子的第二電源端子的驅(qū)動器電路。常導(dǎo)通晶體管的第二負載路徑進一步配置成耦合到第一電源的第二電源端子并且耦合到第二電源的第一電源端子。
【附圖說明】
[0008]為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在參考結(jié)合著附圖的下列描述，其中:
[0009]圖la-圖lb圖示了常規(guī)的復(fù)合開關(guān)電路；
[0010]圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的開關(guān)電路；
[0011]圖3a-圖3b圖示了根據(jù)另外的實施例的復(fù)合開關(guān)電路；
[0012]圖4圖示了采用開關(guān)電路的實施例的開關(guān)式電源的實施例；
[0013]圖5圖示了方法的實施例的流程圖；以及
[0014]圖6圖示了方法的另外的實施例的流程圖。
[0015]除非另外指出，在不同的附圖中對應(yīng)的數(shù)字和符號一般指示對應(yīng)部分。附圖被繪制用于清楚地說明優(yōu)選實施例的有關(guān)方面并且不一定成比例繪制。為了更清楚地說明某些實施例，指示同一結(jié)構(gòu)、材料或者工序的字母可以跟隨圖號。
【具體實施方式】
[0016]下面詳細地討論目前優(yōu)選的實施例的制作和使用。然而，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明提供很多可以在各種各樣的特定背景中實施的可應(yīng)用的發(fā)明構(gòu)思。所討論的特定實施例僅僅說明制作和使用本發(fā)明，并不限制本發(fā)明的范圍。
[0017]本發(fā)明將關(guān)于在用于具有與常關(guān)斷晶體管串聯(lián)耦合的常導(dǎo)通晶體管的開關(guān)的系統(tǒng)和方法的特定背景中的優(yōu)選實施例描述。本發(fā)明的實施例也可以應(yīng)用于采用這種電路結(jié)構(gòu)的各種系統(tǒng)，例如開關(guān)式電源。
[0018]在本發(fā)明的實施例中，用于驅(qū)動具有與常關(guān)斷晶體管串聯(lián)的常導(dǎo)通晶體管的復(fù)合開關(guān)的開關(guān)控制器包括驅(qū)動器電路，該驅(qū)動器電路配置成驅(qū)動諸如增強型MOSFET之類的常關(guān)斷晶體管的柵極，而常導(dǎo)通晶體管的柵極耦合到常關(guān)斷晶體管的源極。通過將驅(qū)動器電路參照常關(guān)斷晶體管的漏極，可以削弱和/或消除在常關(guān)斷晶體管的該漏極處的大瞬變。因此，減少了常關(guān)斷器件上的電壓應(yīng)力，由此允許常關(guān)斷器件的尺寸變化并且配置成減少開關(guān)損耗。這種開關(guān)的實施例可以在諸如開關(guān)式電源、功率因子控制器(PFC)以及其他功率轉(zhuǎn)換電路之類的各種開關(guān)電路中使用。
[0019]諸如結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)以及氮化鎵(GaN)高電子迀移率晶體管(HEMT)之類的某些類型功率晶體管表現(xiàn)為“常導(dǎo)通”器件，因為當(dāng)零伏特施加在晶體管的柵極和源極之間時，它們處于導(dǎo)通狀態(tài)。為了將這些晶體管關(guān)斷，將足夠高的負柵極電壓施加在該晶體管的柵極和源極之間。例如，在GaN HEMT情況中，該反向電壓可能在大約-5V和大約-8V之間，然而，在一些器件中也可能出現(xiàn)超出該范圍的關(guān)斷電壓。因此，在諸如那些采用電荷栗來產(chǎn)生負偏置電壓之類的一些系統(tǒng)中，在電荷栗具有足夠的時間產(chǎn)生足夠高的負電壓以關(guān)斷常導(dǎo)通器件之前，存在常導(dǎo)通器件可能導(dǎo)致器件的電源軌之間短路的風(fēng)險。此外，在各種故障的情況下，也存在短路的風(fēng)險。
[0020]如在圖la中圖示的，處理該問題的一種方式是通過將常導(dǎo)通器件與諸如增強型MOSFET器件的常關(guān)斷器件以共源共柵(cascode)配置串聯(lián)耦合。如圖所示，在節(jié)點S’處，常導(dǎo)通晶體管102的源極耦合到常關(guān)斷晶體管104的漏極，并且常關(guān)斷晶體管104的柵極由驅(qū)動器電路106驅(qū)動。
[0021]這里，常關(guān)斷晶體管104的柵極G作為由驅(qū)動器電路106驅(qū)動的控制端子，而常導(dǎo)通器件102的柵極連接到常關(guān)斷器件104的源極S。在啟動期間，串聯(lián)結(jié)合的常導(dǎo)通器件和常關(guān)斷器件是非導(dǎo)通的。一旦所需的供電電壓變得可用，常關(guān)斷器件可以由輸入信號驅(qū)動，使得常導(dǎo)通器件作為共源共柵器件起作用。如果通過開關(guān)的電流流動被強迫在反向方向上，則常關(guān)斷晶體管104的體二極管BD變成正向偏置。由于電路拓撲(即將常導(dǎo)通晶體管102的源極節(jié)點S’與常關(guān)斷晶體管104的源極節(jié)點S連接)，常導(dǎo)通晶體管保持處于其導(dǎo)通狀態(tài)，即VGD>0。
[0022]然而，當(dāng)作為共源共柵操作時，復(fù)合器件有很多問題。首先，可能出現(xiàn)開關(guān)損耗，因為常導(dǎo)通晶體管102的柵極-源極電容由高電源驅(qū)動而不是由低柵極驅(qū)動器供電電壓驅(qū)動。此外，因為常關(guān)斷器件104的漏極電容，可能出現(xiàn)附加開關(guān)損耗，常關(guān)斷器件104可以是非常大的器件以便處理低電流并且具有低阻抗。隨著常關(guān)斷器件104的寄生漏極電容在操作期間被充電和放電，功率被損耗。
[0023]共源共柵配置的另一個問題是在常關(guān)斷器件104上有電壓應(yīng)力的可能。例如，在操作期間，由于來自常導(dǎo)通器件102的漏極的電容性耦合，節(jié)點S’處的電壓可能具有大的電壓瞬變。換句話說，節(jié)點S處的電壓超過常導(dǎo)通晶體管102的負閾值，并且在一些快速切換情況下可能達到20V及以上。
[0024]圖lb圖示了可以操作包括常導(dǎo)通晶體管和常關(guān)斷晶體管的復(fù)合器件的另一種方式。這里，常導(dǎo)通晶體管102的柵極G1使用驅(qū)動器108直接驅(qū)動，并且常關(guān)斷器件104的柵極G2根據(jù)欠壓鎖定塊110的輸出而接通，欠壓鎖定塊110在電源112已達到足夠?qū)⒊?dǎo)通器件102關(guān)斷的電壓之后接通常關(guān)斷器件104。在正常操作期間，常關(guān)斷器件104保持在導(dǎo)通狀態(tài)。在啟動期間和故障情況下，常關(guān)斷器件104可以被切斷，并且二極管D1通過將常導(dǎo)通器件102的柵極G1鉗位到常關(guān)斷器件104的源極電壓來防止常導(dǎo)通器件的漏極電壓達到高電壓。然而，在這種直接驅(qū)動配置中，可能需要專用驅(qū)動器來驅(qū)動常導(dǎo)通器件102和常關(guān)斷器件104的柵極G1和柵極G2兩者。直接驅(qū)動方法的另一個問題是串聯(lián)連接器件兩端的高反向電流導(dǎo)致常導(dǎo)通器件102兩端的高電壓降。
[0025]圖2a圖示了根據(jù)本發(fā)明實施例的包括與常關(guān)斷器件204串聯(lián)耦合的常導(dǎo)通器件202的復(fù)合開關(guān)和驅(qū)動器200。如圖所示，常導(dǎo)通器件與常關(guān)斷器件以共源共柵配置驅(qū)動。二極管210代表常關(guān)斷器件204的體二極管。常導(dǎo)通器件202的柵極耦合到常關(guān)斷器件204的源極節(jié)點S，并且常關(guān)斷器件204的柵極由驅(qū)動器電路212基于在輸入引腳VinC處接收的開關(guān)輸入信號來驅(qū)動。欠壓鎖定電路216將常關(guān)斷器件204保持關(guān)斷(OFF)，直到檢測到電源222已形成足夠操作系統(tǒng)的電壓。在一個實施例中，電壓鎖定電路216將常關(guān)斷器件204保持關(guān)斷，