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】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)串請的交叉參考
[0002]本申請涉及以下共同未決和共同受讓的專利申請:2014年8月29日提交的代理案號為INF 2014 P 50929的序列號為14/473,207的申請，其全部內(nèi)容以引用的方式引入本申請。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明總體上涉及電子設(shè)備，更具體地，涉及用于含常導(dǎo)通晶體管和常關(guān)斷晶體管的開關(guān)的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]電源系統(tǒng)被廣泛用于計算機(jī)到汽車的許多電子應(yīng)用中。通常，電源系統(tǒng)內(nèi)的電壓通過操作加載有電感器或變壓器的開關(guān)執(zhí)行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC轉(zhuǎn)換來生成。這種系統(tǒng)的一個種類包括切換模式電源(SMPS)。SMPS通常比其他類型的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更加有效，因為通過電感器或變壓器的可控充電和放電來執(zhí)行功率轉(zhuǎn)換并且減少了由于電阻壓降引起的功耗而產(chǎn)生的能量損失。
[0005]其中，用于SMPS的特定拓?fù)浒ㄉ祲鹤儞Q器和反激(flyback)變換器。升降壓變換器通常利用電感器，而反激變換器隔離負(fù)載并且可以通過變壓器的使用增加電壓變換率。除能量存儲元件(電感器或變壓器)之外，開關(guān)的操作特別重要，尤其在高壓應(yīng)用中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)一個實施例，一種電路包括第一驅(qū)動器，其具有被配置為耦合至常關(guān)斷晶體管的控制節(jié)點的第一輸出端。第一驅(qū)動器被配置為以共源共柵模式在第一輸出端處驅(qū)動第一切換信號，并且被配置為以直接驅(qū)動模式在第一輸出端處驅(qū)動第一恒定電壓。該電路還包括第二驅(qū)動器，其具有被配置為耦合至常導(dǎo)通晶體管的控制節(jié)點的第二輸出端，其中常導(dǎo)通晶體管具有耦合至常關(guān)斷晶體管的第一負(fù)載路徑端的第二負(fù)載路徑端。第二驅(qū)動器被配置為以直接驅(qū)動模式在第二輸出端處驅(qū)動第二切換信號。
【附圖說明】
[0007]為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在結(jié)合附圖進(jìn)行以下描述，其中:
[0008]圖1a和圖1b示出了傳統(tǒng)的組合切換電路；
[0009]圖2a至圖2c示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的切換電路；
[0010]圖3示出了根據(jù)另一實施例的組合切換電路；
[0011]圖4a至圖4c示出了根據(jù)又一實施例的組合切換電路；
[0012]圖5示出了利用示例性組合切換電路的示例性切換模式電源電路；
[0013]圖6示出了示例性方法的流程圖；以及
[0014]圖7示出了又一示例性方法的流程圖。
[0015]不同附圖中的對應(yīng)數(shù)字和符號通常表示對應(yīng)的部件，除非另有指定。繪制附圖以清楚地示出優(yōu)選實施例的相關(guān)方面并且不需要按比例繪制。為了更清楚地示出特定實施例，表示相同結(jié)構(gòu)、材料或處理步驟的變化可以跟隨附圖的數(shù)字。
【具體實施方式】
[0016]以下詳細(xì)討論優(yōu)選實施例的制造和使用。然而，應(yīng)該理解，本發(fā)明提供了可以在各種具體條件下實施的許多可應(yīng)用發(fā)明概念。所討論的具體實施例僅僅示出了制造和使用本發(fā)明的具體方式，而不限制本發(fā)明的范圍。
[0017]參照用于具有與常關(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)和方法的具體條件中的優(yōu)選實施例描述本發(fā)明。本發(fā)明的實施例還可以應(yīng)用于利用這種電路結(jié)構(gòu)的各種系統(tǒng)，諸如切換模式電源。
[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)通晶體管的組合開關(guān)的開關(guān)控制器包括:第一驅(qū)動電路，被配置為驅(qū)動常關(guān)斷晶體管(諸如增強模式M0SFET)的柵極；以及第二驅(qū)動電路，被配置為驅(qū)動常導(dǎo)通晶體管(諸如JFET或氮化鎵(GaN)HEMT)的柵極。在一個操作模式中，第一驅(qū)動電路提供導(dǎo)通常關(guān)斷器件的偏置電壓，并且第二驅(qū)動電路提供使常導(dǎo)通晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷的一系列脈沖。在該操作模式中，第二驅(qū)動電路有效地直接驅(qū)動常導(dǎo)通器件。在另一操作模式中，常導(dǎo)通器件操作為共源共柵器件，并且經(jīng)由第一驅(qū)動電路將一系列脈沖提供給常關(guān)斷器件的柵極。在一個實例中，通過將常導(dǎo)通器件的柵極耦合至常關(guān)斷器件的源極并且通過將第二驅(qū)動電路的輸出置于高阻狀態(tài)來將常導(dǎo)通器件偏置為共源共柵器件。
[0019]在一些實施例中，控制器包括耦合在常導(dǎo)通器件的柵極和常關(guān)斷器件的源極之間的開關(guān)。當(dāng)組合開關(guān)被操作為共源共柵器件時，開關(guān)被閉合以將常導(dǎo)通器件的柵極耦合至常關(guān)斷器件的源極。另一方面，當(dāng)組合開關(guān)被操作為直接驅(qū)動器件時，開關(guān)斷開以允許第二驅(qū)動電路驅(qū)動常導(dǎo)通器件的柵極。
[0020]特定類型的功率晶體管(諸如結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)和氮化鎵(GaN)高電子迀移率晶體管(HEMT))起“常導(dǎo)通”器件的作用，原因在于當(dāng)零電壓被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)。為了使這些晶體管關(guān)斷，充分大的負(fù)柵極電壓被施加在晶體管的柵極和源極之間。例如，在GaN HEMT的情況下，該反向電壓可以在大約-5V和大約-8V之間；然而，該范圍外的關(guān)斷電壓還可以在一些器件中發(fā)生。因此，在一些系統(tǒng)中，諸如利用充電栗來生成負(fù)偏置電壓的系統(tǒng)，存在常導(dǎo)通器件會在充電栗具有足夠的時間產(chǎn)生足夠大的負(fù)電壓來關(guān)斷常導(dǎo)通器件之前的器件的電源軌之間引起短路的風(fēng)險。此外，還存在各種故障條件期間的短路的風(fēng)險。
[0021]如圖1a所示，解決該問題的一種方式是將常導(dǎo)通器件與常關(guān)斷器件(諸如處于共源共柵配置的增強模式MOSFET器件)串聯(lián)。如圖所示，常導(dǎo)通器件102的源極在節(jié)點S’處耦合至常關(guān)斷器件104的漏極，并且常關(guān)斷器件104的柵極G被驅(qū)動電路106所驅(qū)動。
[0022]這里，常關(guān)斷器件104的柵極G用作被驅(qū)動電路106所驅(qū)動的控制端，而常導(dǎo)通器件102的柵極連接至常關(guān)斷器件104的源極S。在啟動期間，常導(dǎo)通器件和常關(guān)斷器件的串聯(lián)組合是非導(dǎo)電的。一旦必要的電源電壓變得可用，就可以利用輸入信號驅(qū)動常關(guān)斷器件，使得常導(dǎo)通器件用作共源共柵器件。如果流過開關(guān)的電流被迫使反向，則常關(guān)斷器件104的本體二極管BD變成正向偏置。由于電路拓?fù)?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)通器件保持其導(dǎo)通狀態(tài)，即，VGD>0。
[0023]然而，當(dāng)操作為共源共柵時，組合器件存在多種問題。首先，由于常導(dǎo)通器件102的柵極-源極電容被高電源驅(qū)動而不被低柵極驅(qū)動電源電壓驅(qū)動，所以會發(fā)生切換損失。此外，由于常關(guān)斷器件104(其可以是非常大的器件以處理低電流并具有低阻抗)的漏極電容，可能會發(fā)生附加的切換損失。由于常關(guān)斷器件104的寄生漏極電容在操作期間被充電和放電，所以損失了電能。
[0024]共源共柵結(jié)構(gòu)的另一個問題在于，對常關(guān)斷器件104可能存在電壓應(yīng)力。例如，在操作期間，節(jié)點S’處的電壓可能由于從常導(dǎo)通器件102的漏極的電容耦合而具有大電壓瞬變。換句話說，節(jié)點S處的電壓在常導(dǎo)通器件102的負(fù)閾值之外，并且在一些切換條件下可能達(dá)到20V以上。
[0025]圖1b示出了另一種方式，其中可以操作包括常導(dǎo)通晶體管和常關(guān)斷晶體管的組合器件。這里，使用驅(qū)動器108直接驅(qū)動常導(dǎo)通器件102的柵極G1，并且根據(jù)欠壓鎖定塊110的輸出導(dǎo)通常關(guān)斷器件104的柵極G2，其中欠壓鎖定塊110在電源112達(dá)到足以關(guān)斷常導(dǎo)通器件102的電壓之后導(dǎo)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)。在啟動和故障條件期間，常關(guān)斷器件104可以閉合，并且二極管Dl通過將常導(dǎo)通器件102的柵極Gl鉗位于常關(guān)斷器件104的源極電壓來防止常關(guān)斷器件的漏極電壓達(dá)到高電壓。然而，在這種直接驅(qū)動結(jié)構(gòu)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Gl和G2。直接驅(qū)動方法的另一問題在于，串聯(lián)器件兩端的高反向電流導(dǎo)致常導(dǎo)通器件102兩端的大壓降。
[0026]在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，常導(dǎo)通器件和串聯(lián)耦合的常關(guān)斷器件可以被選擇性地配置為驅(qū)動為共源共柵器件(其中，利用用作共源共柵晶體管的常導(dǎo)通器件，根據(jù)輸入信號導(dǎo)通和關(guān)斷常關(guān)斷器件)或者驅(qū)動為直接驅(qū)動器件(其中，利用在直接驅(qū)動操作期間導(dǎo)通的常關(guān)斷器件，根據(jù)輸入信號導(dǎo)通和關(guān)斷常導(dǎo)通器件)。在圖2a中示出了這種實施例，其示出了包括與常關(guān)斷器件204串聯(lián)耦合的常導(dǎo)通器件202的示例性組合開關(guān)和驅(qū)動系統(tǒng)200。常關(guān)斷器件204的本體二極管由二極管210表示。如圖所示，通過驅(qū)動電路206來驅(qū)動常關(guān)斷器件204，并且利用三態(tài)驅(qū)動電路208來驅(qū)動常導(dǎo)通器件202。開關(guān)218被配置為選擇性地將常導(dǎo)通器件202的柵極Gl耦合至常關(guān)斷器件204的源極S。
[0027]驅(qū)動電路206從電源216接收其電能。因此，驅(qū)動電路206的輸出電壓可以在節(jié)點S處的常關(guān)斷器件204的源極電壓與常關(guān)斷器件204的源極電壓和電源216的電壓的總和之間切換。在一些實施例中，電源216的電壓VP足以導(dǎo)通常關(guān)斷器件204，但是也足以低到避免常關(guān)斷器件204的柵極的過應(yīng)力。例如，電壓VP可以在大約5V和大約12V之間的范圍，然而在其他實施例中，也可以使用該范圍外的電壓。
[0028]可以使用本領(lǐng)域已知的驅(qū)動電路來實施驅(qū)動電路206。例如，在一些實施例中，Texas Instruments UCC 275x可用于實現(xiàn)驅(qū)動電路206?？梢允褂帽绢I(lǐng)域已知的DC電源系統(tǒng)和方法來實現(xiàn)電源216。例如，電源216可以使用