用在開關模式電源中的二極體的製作方法
2023-09-10 04:01:25 3
專利名稱：用在開關模式電源中的二極體的製作方法
技術領域：
本發明總體涉及二極體，更具體地說，涉及用在開關模式電源(SMPS)中的二極體。
背景技術：
SMPS被用在多種應用中，其操作為降壓轉換器和/或升壓轉換器。這些應用通常具有低輸入電壓(即小於5V)，並且工作在範圍從幾千赫茲到幾十兆赫茲的頻率。在具有高輸入電壓(即大於30V)和高頻率(即大於IMHz)的應用中，由於在開關節點處看到的輸出電容而導致的開關損耗會很大。因此，需要一種SMPS，其有效率地工作在高輸入電壓和高頻率。常規電路的不例是:Petrechev等人的「DigitalLoss-Minimizing Mult1-ModeSynchronous Buck Converter Control，，，2004 35th Annual IEEE ElectronicsSpecialists Conf.，Aachen, Germany2004, pp.3694-3699。
發明內容
因此，本發明的一個實施例提供了一種裝置。該裝置包括:開關電路，其包括具有開關節點電壓的開關節點，並且接收輸入電壓；電感器，其耦合到開關節點；電容器，其耦合到電感器；以及控制器，其耦合到開關電路，並且以一轉換效率工作在一開關頻率，其中控制器使用來自電感器的負電感器電流來控制開關節點電壓的擺動，並且其中對於轉換效率，開關頻率和輸入電壓足夠大，以便克服由於使用負電感電流而引起的損耗。根據本發明的一個實施例，開關電路還包括高壓側電晶體，其漏極接收輸入電壓，其源極耦合到開關節點，並且其柵極耦合到控制器。根據本發明的一個實施例，開關電路還包括低壓側電晶體，其漏極耦合到開關節點，並且其柵極耦合到控制器。根據本發明的一個實施例，轉換效率大約是70%或更大，並且其中輸入電壓大於120V，並且其中開關頻率大於1MHz。根據本發明的一個實施例，開關電路還包括二極體，該二極體耦合在開關節點和地之間。根據本發明的一個實施例，開關電路還包括耗盡模式二極體，該耗盡模式二極體具有:耗盡模式電晶體，其漏極耦合到開關節點，並且其柵極耦合到地；二極體，其耦合在耗盡模式電晶體的源極和地之間；以及可變電容器，其耦合在耗盡模式電晶體的源極和地之間。根據本發明的一個實施例，可變電容器還包括開關電容器陣列。根據本發明的一個實施例，耗盡模式電晶體是氮化鎵電晶體。根據本發明的一個實施例，開關電路還包括低壓側電晶體，其源極耦合到地，其漏極耦合到開關節點，並且其柵極耦合到控制器。根據本發明的一個實施例，開關電路還包括二極體，該二極體耦合到開關節點並且接收輸入電壓。
根據本發明的一個實施例，開關電路還包括耗盡模式二極體，該耗盡模式二極體具有:耗盡模式電晶體，其柵極耦合到開關節點，並且其漏極接收輸入電壓；二極體，其耦合在耗盡模式電晶體的源極和開關節點之間；以及可變電容器，其耦合在耗盡模式電晶體的源極和開關節點之間。根據本發明的一個實施例，提供了一種用於在開關頻率使用開關模式電源從輸入電壓產生輸出電壓的方法。該方法包括:在開關頻率下，去激活開關電路內的電晶體，以便進入空載時間間隔中，其中開關電路包括開關節點；以及在空載時間間隔期間，使用負電感器電流，以便擺動開關節點，其中開關頻率和輸入電壓足夠大，以便克服由於使用負電感器電流而導致的損耗。根據本發明的一個實施例，去激活的步驟還包括去激活耦合到開關節點的低壓側
電晶體。根據本發明的一個實施例，該方法還包括當開關節點上的電壓達到輸入電壓時，激活高壓側電晶體。根據本發明的一個實施例，提供了一種裝置。該裝置包括:開關電路，其包括具有開關節點電壓的開關節點，並且接收輸入電壓；電感器，其耦合到開關節點；電容器，其耦合到電感器；以及控制器，其具有:柵極驅動器電路，其耦合到開關電路，並且以一轉換效率工作在一開關頻率；反饋電路，其耦合到電感器和柵極驅動器電路；以及測量電路，其耦合到開關節點，其中控制器使用來自電感器的負電感器電流來控制開關節點電壓的擺動，並且其中對於轉換效率，開關頻率和輸入電壓足夠大，以便克服由於使用負電感器電流而導致的損耗。根據本發明的一個實施例，開關電路還包括:高壓側電晶體，其漏極接收輸入電壓，其源極耦合到開關節點，並且其柵極耦合到控制器；以及低壓側電晶體，其漏極耦合到開關節點，並且其柵極耦合到控制器；以及其中測量電路還包括:第一比較器，其耦合到開關節點並且接收輸入電壓；以及第二比較器，其耦合到開關節點和地。根據本發明的一個實施例，測量電路還包括比較器，該比較器耦合到開關節點並且輸入電壓，並且其中開關電路還包括:高壓側電晶體，其漏極接收輸入電壓，其源極耦合到開關節點，並且其柵極耦合到控制器；以及二極體，其在開關節點和地之間。根據本發明的一個實施例，測量電路還包括耦合到開關節點和地的第二比較器，其中開關電路還包括:二極體，其漏極接收輸入電壓，並且其耦合到開關節點；以及低壓側電晶體，其漏極耦合到開關節點，並且其柵極耦合到控制器。根據本發明的一個實施例，提供了一種裝置。該裝置包括:第一端子；第二端子；耗盡模式電晶體，其柵極耦合到第二端子，並且其漏極耦合到第一端子；二極體，其耦合在耗盡模式電晶體的源極和第二端子之間；可變電容器，其耦合在耗盡模式電晶體的源極和第二端子之間。根據本發明的一個實施例，耗盡模式電晶體是η溝道氮化鎵電晶體。根據本發明的一個實施例，可變電容器還包括變容二極體。根據本發明的一個實施例，提供了一種可調耗盡二極體。該二極體包括:陰極端子；陽極端子；耗盡模式電晶體，其柵極耦合到陽極端子，並且其漏極耦合到陰極端子；二極體，其耦合在耗盡模式電晶體的源極和陽極端子之間；以及可變電容器，其耦合在耗盡模式電晶體的源極和陽極端子之間，其中可變電容器的電容值控制可調耗盡二極體的反向恢復時間。前述內容相當概述地概括了本發明的特徵和技術優勢，以便可以更好地理解隨後對本發明的詳細描述。本發明的其他特徵和優勢將在後面描述，其構成了本發明的權利要求的主題。本領域技術人員應理解，所公開的概念和具體實施例可以容易地被用作修改或設計其他結構以便實施本發明的相同目的的基礎。本領域技術人員還應認識到，這些等效構造並不偏離如隨附的權利要求中所陳述的本發明的精神和範圍
為了更全面地理解本發明及其優勢，現在結合附圖參考下列描述，其中:圖1是根據本發明的SMPS的示例的圖示；圖2是圖1的控制器的示例的圖示；圖3是描繪圖1的SMPS的操作的圖示；圖4是描繪SMPS工作在各種頻率下的輸入電壓相對轉換效率的圖示；圖5是根據本發明的SMPS的示例的圖示；圖6是圖5的控制器的示例的圖示；圖7是根據本發明的SMPS的示例的圖示；圖8是圖7的控制器的示例的圖示；圖9是可以用在圖4和圖6的SMPS中的耗盡二極體的圖示；圖10是描繪圖9的耗盡二極體的操作的圖示。
具體實施例方式現在參考附圖，其中為了清楚，所描繪的元件未必按比例示出，並且其中在若干視圖中，用相同的標號指代相同或類似的元件。轉到圖1-4，示出了根據本發明的SMPS 100-1的示例。在該示例中，控制器102_1被用來控制開關電路104-1的電晶體Ql和Q2(其還具有寄生電容CPl和CP2)。接著，開關電路104-1能夠使用電感器L和電容器Cl從輸入電壓VIN (即300V)產生輸出電壓VOUT(即2V)。優選地，控制器102-1能夠調製或控制空載時間間隔(即時刻Tl和T2之間的間隔以及時刻T3和T4之間的間隔)，從而用電感器電流上下擺動(slew)開關節點SW，其中在空載時間間隔中，電晶體Ql和Q2均被去激活或「關閉」。這種類型的開關通常稱為「軟-開關」。如圖3的示例中示出的，控制器在時刻Tl去激活電晶體Q2 (同時電晶體Ql保持「關閉」)，在時刻Tl和T2之間的空載時間間隔期間，電感器電流(來自電感器L)是負的(其中電流流進開關節點SW),從而使開關節點上的電壓向上擺動或增加。一旦開關節點SW上的電壓達到輸入電壓VIN (在該示例中是大約30V)，測量電路205-1的比較器206就指示這件事，從而允許柵極驅動器電路202-1激活電晶體Q1。隨後，對於時刻T3和T4之間的空載時間間隔，可以使用測量電路205-1的比較器208來測量開關節點SW上的電壓何時達到零，從而允許柵極驅動器電路202-1激活電晶體Q2。此外，反饋電路204 (其可以包括，例如分壓器和誤差放大器)可以向柵極驅動器電路202-1提供校正信號，其改變電晶體Ql和Q2的「導通」和「關閉」時間，從而維持期望的輸出電壓VOUT和/或輸出電流。
應該注意，隨著開關節點SW上的電壓在接近空載時間間隔(即時刻Tl和T2之間以及時刻T3和T4之間)的終點而達到輸入電壓VIN (在該示例中是30V)或達到零伏時，開關節點SW上的電壓的峰值高於輸入電壓VIN或低於地或零伏几個伏特之多，從而引起空載時間損耗。通常，對於CMOS電晶體，電壓峰值或偏移是大約0.7V到大約1.0V,並且在「硬開關」的情況下，期望在達到其開關點(即OV或VIN)之後即激活開關Ql或Q2，這有效地試圖最小化空載時間。這些空載時間損耗是由Ql和Q2的體二極體(以及即，負電感器電流)引起的，並且對於低輸入電壓VIN，這些空載時間損耗會是顯著的。例如，如果輸入電壓VIN是5V，那麼軟開關效率損耗可以在IV的量級(從而引起顯著的效率損耗)。然而，當輸入電壓VIN足夠高時(即30V)，該損耗是可忽略的。此外，由於在開關節點SW處看到的輸出電容而導致的開關損耗是依賴於頻率的，所以在高輸入電壓VIN和高開關頻率處，損耗是顯著的。因此，為了使用軟開關，或者為了允許使用負電流，輸入電壓VIN和開關頻率應該是足夠大，以便克服由於在開關節點SW處看到的輸出電容而導致的這些空載時間損耗和開關損耗，或使它們可忽略。如在圖4的繪圖中所示，對於工作在低頻率(即小於IMHz)的常規SMPS，在高輸入電壓下(即高達大約200V)，轉換效率保持相對高(即大於80%)，這意味著SMPS 100-1解決(address)的開關損耗不是主要的。然而，在高輸入電壓VIN(即大於30V)和高開關頻率(即大於IMHz)下，開關損耗變成主要的，並且輸入電壓VIN足夠大，以便使空載時間損耗可忽略。作為示例，SMPS100-1可以用來實現大約70%的轉換效率(或更大)，其中輸入電壓VIN大於120V並且開關頻率大於IMHz。替換地，可以用二極體106替換電晶體Ql和Q2，從而實現基本相同的結果，如用圖5-8的SMPS 100-2和100-3示出的。當二極體106替換SMPS 100-2中的電晶體Q2時，SMPS 100-2依賴於二極體106的反向恢復時間(即二極體反偏傳導的時段)，該反向恢復時間允許負電感器電流擺動開關節點SW，但是二極體106應被選擇為具有合適的反向恢復時間以實現該結果。對於SMPS 100-2，控制器102-2可以使用測量電路205-2內的比較器206，因為柵極驅動器電路202-2沒有向「低壓側」電晶體提供柵極驅動信號或控制信號。當二極體106替換SMPS 100-3中的電晶體Ql時，SMPS 100-3被配置為操作為「反相降壓轉換器」，並且類似地，使用二極體106的反向恢復時間，實現期望的結果。此外，控制器102-3可以使用測量電路205-3內的比較器208，因為柵極驅動器電路202-3沒有向「高壓側」電晶體提供柵極驅動信號或控制信號。二極體(即二極體106)的使用可以是優選的，因為控制器(即102-2或102-3)的配置將會更簡單，但是不能使用常規二極體，因為其會限制SMPS 100-2或100-3的功能，或者可能是不可製造的。因此，如圖9中所示，可以使用耗盡二極體300，因為該耗盡二極體300具有可調反向恢復時間。耗盡二極體300通常包括耗盡模式電晶體Q3 (例如，其可以是耗盡模式η溝道氮化鎵或GaN電晶體)、二極體D和可變調整電容器C2 (例如，其可以是開關電容器陣列或變容二極體)。例如，假設二極體300被用作SMPS 100-2中的二極體106，可以在圖10中看到使用二極體300的益處。因為電晶體Q3是耗盡模式電晶體，所以當電晶體Ql通常是「導通」時，電晶體Q3通常是「關閉」的，從而隔離二極體D和電容器C3，並且當電晶體Ql是「關閉」時(即在時刻TDl和TD4之間)，電晶體Q3是「導通」的。在時刻TD2 (當電晶體Q3是「導通」的或激活的)，電感器電流變為負，並且在時刻TD3，電晶體D開始阻塞(從而意味著時刻TD2和TD3之間的間隔是二極體D的反向恢復時間)。在時刻TD3，電流開始流過電容器C3，從而引起開關節點SW上的電壓增加。開關節點SW上的電壓的變化率是電容器C3的電容值和負電感器電流的函數，所以當開關節點SW上的電壓達到電晶體Q3的閾值電壓Vtq3 (例如，其可以是10V)時，電晶體Q3被去激活。因此，耗盡二極體300具有可變反向恢復時間，其可以通過改變電容器C3的電容值而進行調整。雖然在此通過參考某些優選實施例描述了本發明，但是應注意，所公開的實施例在本質上是說明性的而不是限制性的，並且在前述公開中可以想到多種變化、修改、改變和替換，並且在一些實例中，可以使用本發明的某些特徵而不對應使用其他特徵。因此，應理解，應廣泛地並且以與本發明的範圍一致的方式解釋隨附的權利要求。
權利要求
1.一種裝置，其包括: 第一端子； 第二端子； 耗盡模式電晶體，其柵極耦合到所述第二端子，並且其漏極耦合到所述第一端子； 二極體，其耦合在所述耗盡模式電晶體的源極和所述第二端子之間；以及 可變電容器，其耦合在所述耗盡模式電晶體的源極和所述第二端子之間。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述耗盡模式電晶體是η溝道氮化鎵電晶體。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中所述可變電容器還包括開關電容器陣列。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中所述可變電容器還包括變容二極體。
5.一種可調耗盡二極體，其包括: 陰極端子； 陽極端子； 耗盡模式電晶體，其柵極耦合到所述陽極，並且其漏極耦合到所述陰極； 二極體，其耦合在所述耗盡模式電晶體的源極和所述陽極端子之間； 可變電容器，其耦合在所述耗盡模式電晶體的源極和所述陽極端子之間，其中所述可變電容器的電容值控制所述可調耗盡二極體的反向恢復時間。
6.根據權利要求5所述的裝置，其中所述耗盡模式電晶體是η溝道氮化鎵電晶體。
7.根據權利要求6所述的裝置，其中所述可變電容器還包括開關電容器陣列。
8.根據權利要求6所述的裝置，其中所述可變電容器還包括變容二極體。
全文摘要
本發明涉及用在開關模式電源中的二極體。提供了一種可調耗盡二極體。在該耗盡二極體內，有耗盡模式電晶體，其柵極耦合到陽極端子，並且其漏極耦合到陰極端子。二極體耦合在耗盡模式電晶體的源極和陽極端子之間，並且可變電容器耦合在耗盡模式電晶體的源極和陽極端子之間，其中可變電容器的電容值控制可調耗盡二極體的反向恢復時間。
文檔編號H02M1/06GK103166433SQ20121054022
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月13日 優先權日2011年12月13日
發明者T·D·哈根, M·科爾斯, D·L·弗裡曼 申請人:德克薩斯儀器股份有限公司