用於驅動電晶體的方法和系統的製作方法

2023-08-02 04:44:41 1

用於驅動電晶體的方法和系統的製作方法
【專利摘要】一種用於驅動電晶體的方法和系統，其電路包括：第一電晶體，具有耦合到所述第一電晶體的輸出節點的參考節點的第二電晶體，以及控制電路。所述控制電路被配置為在第一操作模式期間將第二參考節點耦合到所述第二電晶體的控制端，在第二操作模式期間和第三操作模式期間將浮動參考電壓耦合在第二電晶體的控制端和第二電晶體的參考端之間，以及在第三操作模式期間將第三參考節點耦合到第二電晶體的參考端。第二參考節點被配置成具有可操作以接通第二電晶體的電勢，並且浮動參考電壓可操作以接通第二電晶體。
【專利說明】用於驅動電晶體的方法和系統

【技術領域】
[0001] 本發明總體上涉及電子電路，並且更具體地涉及用於驅動電晶體的方法和系統。

【背景技術】
[0002] 電源系統是廣泛用於許多電子應用，從計算機到汽車。一般來說，電源系統內的電 壓是通過執行由操作加載有電感器或變壓器的開關而提供的DC-DC、DC-AC、和/或AC-DC 轉換而產生的。這樣的系統的一類包括開關模式電源（SMPS)。SMPS通常比其他類型的功 率轉換系統的效率更高，因為功率轉換是通過電感器或變壓器的受控制的充電和放電來進 行，並且由於跨電阻性壓降兩端的功耗而減少能量散失。
[0003] 用於SMPS的具體拓撲結構包括降壓-升壓轉換器和反激式轉換器等等。降壓-升 壓轉換器通常是利用電感器，而反激式轉換器將負載隔離，並且可以通過使用變壓器的使 電壓轉換比倍增。除了該能量存儲元件（無論是電感器或變壓器），該開關的操作是特別重 要的，尤其是在高電壓應用中。
[0004] -個問題在於相對於在高電壓環境中操作半導體開關是避免由於高電壓被施加 到半導體開關而引起的設備破壞。一些系統依靠使用專門設計以承受在高電壓電源中遇到 的高母線電壓的設備。然而，即使在使用高電壓設備時，對於確保在電源電路中的設備能夠 承受可能出現在開關模式電源中的高電壓瞬態條件，一些設計挑戰仍然存在。例如，在一些 開關模式電源中，該電源電路中的瞬態電壓可能會超過供電系統內存在的DC或靜止母線 電壓。


【發明內容】

[0005] 根據實施例，一種電路包括：第一電晶體和第二電晶體，以及控制電路。所述第一 電晶體具有耦合到第一參考節點的參考端，以及被配置為耦合到開關控制信號的控制端， 所述第二電晶體具有耦合到所述第一電晶體的輸出端的參考端和被配置為耦合到負載的 輸出端，並且所述控制電路被耦合到所述第二電晶體的控制端和所述第二電晶體的參考 端。該控制電路被配置為在第一操作模式期間將第二參考節點耦合到所述第二電晶體的控 制端，在第二操作模式期間和第三操作模式期間，將浮動參考電壓耦合在所述第二電晶體 的控制端和所述第二電晶體的參考端之間，並且在第三操作模式期間將第三參考節點耦合 到所述第二電晶體的參考端。第二參考節點被配置為具有可操作以接通所述第二電晶體的 電勢，並且浮動參考電壓可操作以接通第二電晶體。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 為了更全面地理解本發明，及其優點，現在參考附圖一起進行以下描述，其中：
[0007] 圖1示出實施例電源的框圖；
[0008] 圖2示出實施例電源的示意圖；
[0009] 圖3a-c示出實施例系統的波形圖；
[0010] 圖4示出實施例系統的波形圖；
[0011] 圖5示出實施例電源的示意圖；
[0012] 圖6示出具有多於兩個電晶體的實施例電源的示意圖；
[0013] 圖7示出另一實施例電源的示意圖；
[0014] 圖8a_b示出又一實施例電源的示意圖；
[0015] 圖9示出利用實施例電源的系統的框圖；以及
[0016] 圖10示出操作的實施例方法的流程圖。
[0017] 在不同的圖中的相應編號和符號一般指的是相應的部分，除非另有說明。繪製圖 以清楚地示出實施例的相關方面，並且不一定按比例繪製圖。

【具體實施方式】
[0018] 以下對各種實施例的製造和使用進行了詳細的討論。然而，應當理解，本發明提供 可在各種廣泛的特定背景下體現的許多可應用的發明性概念。所討論的具體實施例僅僅是 製造和使用本發明的說明性具體方法，並且不限制本發明的範圍。
[0019] 本發明將對於在特定上下文中的各種實施例進行說明，即，在開關模式電源系統 中使用的開關驅動器。本發明的實施例也可以應用於其它電子應用中的開關驅動器，但不 限於，太陽能逆變器、電信設備、伺服器和不間斷電源。
[0020] 對於高電壓應用的開關操作的一種方法是使用多個開關來將總電壓分布到不同 開關。特別地，級聯電晶體（通常為M0SFET，但也可以使用其他類型）是一種選擇。用於 SMPS的級聯M0SFET包括具有多個設計挑戰的電源解決方案。示例的設計挑戰包括維持跨 電晶體的有效電壓分布以及選擇能夠承受跨裝置而施加的最大電壓的電晶體。
[0021] 根據一些實施方案，兩個電晶體可以被耦合到變壓器，以形成SMPS。控制電路被配 置為將第一電晶體耦合到第二電晶體的控制端。所述控制電路被配置為在整個開關操作過 程中在第一電晶體接通和關斷時將第二電晶體保持在導通狀態。在一些實施例中，在整個 開關操作過程中可預見地將述第二電晶體保持在導通狀態，限定了跨兩個電晶體兩端的瞬 時電壓分布，從而兩個電晶體的電壓的阻斷可以被限定從而對於每個電晶體所需要的最小 阻斷電壓小於在正常開關操作期間跨兩個電晶體兩端施加的總電壓。
[0022] 現在參照各種實施例，圖1示出電源系統100的框圖，其包括通過節點101耦合到 第二電晶體Q2的第一電晶體Q1，其中節點101連接到電晶體Q1的輸出端與電晶體Q2的參 考端。應當理解的是，圖1的框圖可以應用於本文所述的其他更詳細的實施例。電晶體Q1 和電晶體Q2被進一步通過節點101和節點102耦合到充電偏置控制器110,也被稱為控制 電路110,其中節點102被連接到電晶體Q2的控制端。電晶體Q1在控制端上從控制器120 接收能夠被實現的控制信號，例如，在一些實施例中使用常規的開關模式電源（SMPS)控制 器和/或脈衝寬度調製（PWM)電路。電源系統100還包括通過高壓母線103耦合到變壓器 TX1的高壓電源130。在所示的實施例中，充電偏置控制器110也被連接到高壓母線103。 在另一實施例中，充電偏置控制器110可以被連接到與高壓電源130分離的不同的參考節 點。在圖示的實施例中，變壓器TX1的次級繞組被耦合到負載140。
[0023] 根據本發明的實施例，高壓電源130以給定的參考電壓來操作，而電晶體Q1和Q2 被控制以對變壓器TX1充電和放電以便於將功率供應給負載140。在一些實施例中，控制器 120提供脈衝寬度調製控制信號和/或頻率調製控制信號，以通過反饋控制保持跨負載140 兩端的恆定電壓。可替換地，控制器120可以被配置為提供恆定電流到負載140。根據一個 實施例，控制器120提供將電晶體Q1接通和關斷的輸出控制信號。電晶體Q2被偏置控制 器110偏置。充電偏置控制器110可以被配置為即使當電晶體Q1被關斷時仍然保持晶體 管Q2偏置，並且被配置為即使當Q1關斷時仍然保持電晶體Q2的柵極充電。例如，電晶體 Q2可以通過將Q2的柵極-源極電壓偏置在等於或高於其閾值而保持在線性操作區。在一 些實施例中，通過電晶體Q2的電流被限制為在線性區中保持操作。通過在Q1關斷時將Q2 偏置在線性區，Q2可以在電晶體Q1被控制器120接通時導通大電流，而沒有延遲或只有非 常小的延遲。控制器110的其它功能可以包括將電晶體Q1的漏極鉗位到高壓母線103和 /或另一參考電壓，以防止電晶體Q1的漏極-源極電壓以免超過額定電壓。
[0024] 在一些實施方式中，偏置控制器110或控制電路110在三種模式下操作。有關三 種操作模式，電晶體Q1從控制器120接收的開關控制信號。在第一操作模式期間，控制電 路110被配置為將節點102上的電晶體Q2的控制端耦合到具有可操作以接通第二電晶體 Q2的電勢的參考節點。在一個實施例中，在第一操作模式期間，電晶體Q1通過開關控制信 號而接通。在第二和第三操作模式期間，控制電路110被配置為將浮動參考電壓耦合到節 點102上的電晶體Q2的控制端和節點101上的電晶體Q2的參考端之間。在一個實施例中， 浮動參考電壓可操作以接通電晶體Q2,並且可以使用電容器C20來實施，如以下附圖所描 述的。在第二操作模式期間，電晶體Q1被關斷並且電晶體Q2的輸出端的電壓低於所限定 的閾值。在第三操作模式期間，控制電路110被配置為將另一參考節點耦合到節點101上 的電晶體Q2的參考端。此外，在第三操作模式期間，電晶體Q1是關斷的，並且電晶體Q2的 輸出端的電壓在第二操作模式的限定閾值之上。根據一個實施例，限定的閾值可以是大約 等於電晶體Q1的阻斷電壓規格。
[0025] 在一個實施例中，電源系統100操作為反激式轉換器，其中根據變壓器TX1的匝數 t匕，高壓母線103上所施加的DC電壓被升高或降低至施加到負載140的電壓。高壓母線 103上所施加的電壓可以通過例如高壓電源130來提供。高壓電源130的示例可以包括經 整流的線路電壓，高壓電池的輸出，諸如在電動車輛和/或混合動力車輛中所使用的電池， 或其它類型的高壓電源。
[0026] 電晶體Q1和Q2可以例如通過使用功率η溝道M0SFET電晶體來實現，如圖所示。 可替換地，電晶體Q1和/或Q2可以例如使用一般的IGBT、其它M0S電晶體的類型、JFET、 和FET類型電晶體來實現。在一些實施例中，電流受控的電晶體可以與包括諸如具有雙極 結型電晶體的柵極電阻器的附加的阻抗元件一同使用。
[0027] 現在參照圖2,以在電源系統200中更具體的細節來描繪附加的實施例。如圖所 示，電晶體Q1由電壓源V3來控制。在一些實施例中，電壓源V3可以使用被配置為接通和 關斷Q1的開關驅動器或其他電路來實現。在一個實施例中，電晶體Q1是通過激活信號和 解除激活信號來接通和關斷。該開關驅動器可以例如作為開關模式電源控制器或PWM電 路的輸出級來結合。這樣的開關驅動器可以在與電晶體Q1同樣的集成電路上實施或在單 獨的集成電路上實施。在一個具體實施例中，電壓源V3包括由英飛凌（Infineon)生產的 CoolSET⑧控制器。
[0028] 在圖2所示的實施例中，電晶體Q2的源極連接到節點201並且電晶體Q2的柵極 連接到節點202。電晶體Q2的柵極通過電阻器R11和電容器C20耦合到電晶體Q2的源極， 並且參考電壓V2經由二極體D16耦合到電晶體Q2的柵極。二極體D10在節點204處將電 阻器R11和電容器C20耦合到高壓母線203。主電壓源VBUS經由高壓母線203向變壓器 TX1的初級繞組提供功率。在各種實施例中，電壓源VBUS可以包括高達800伏或高於800 伏的AC或DC電壓供應。在汽車實施例中，電壓源VBUS可以由高壓電池或電池堆來產生。 可替換地，電壓源VBUS可以代表其他高電壓DC電源，諸如經整流的電力線路電壓。
[0029] 繼續參考圖2,根據一個實施例，變壓器TX1的初級繞組連接在電晶體Q2和高壓母 線203之間。變壓器TX1的次級繞組通過二極體Dout連接到負載Rload。負載Rload具有 並聯連接的電容器C1。二極體Dout對由變壓器TX1的次級繞組輸出的電流進行整流，並且 電容器C1對跨負載Rload兩端的輸出電壓進行濾波，以減少輸出電壓上的紋波。
[0030] 關於圖2的電源系統200的操作，電阻器R11和電容器C20被配置為將電晶體Q2 保持處於導通狀態。在一個實施例中，當電晶體Q1被關斷並且不接通時，電阻器R11和電 容器C20保持從電晶體Q2的柵極到電晶體Q2的源極的偏置電壓。在各種實施例中，偏置電 壓可以等於、小於、或大於電晶體Q2的閾值電壓。在一個實施例中，電容器C20對節點202 上的電晶體Q2的控制端和節點201上的電晶體Q2的參考端之間的接通電壓進行採樣。電 壓源V2和二極體D16可以被配置為維持對C20充電。
[0031] 在一個實施例中，偏置電壓被施加到電晶體Q2,如下。當電晶體Q1接通時，電晶體 Q2的源極處的電壓被拉到接近地電位，並且電晶體Q2的柵極經由正向偏置的二極體D16耦 合到參考電壓V2。因此，電晶體Q2的柵極到源極電壓被施加在跨電容器C20兩端。然而， 當電晶體Q1關斷時，跨電晶體Q2兩端的柵極到源極電壓跨電容器C20兩端得以保持。在一 些電源實施例中，例如，圖2中所描繪的反激式轉換器的實施例，由於變壓器的TX1的初級 繞組的電感，節點206處的電壓上升。這樣，電晶體Q2的源極（節點201)處的電壓上升， 並且電晶體Q2的柵極（節點202)處的電壓也上升。一旦電晶體Q2的柵極處的電壓將二 極管D16反向偏置，電晶體Q2的柵極-源極電壓在跨電容器C20兩端有效地得以採樣。因 此，在電晶體Q2的柵極和源極處的電壓可能會經歷大的瞬態電壓，而無需關閉電晶體Q2。
[0032] 在一些實施例中，電容器C20的電容被選擇為比電晶體Q2的柵極電容大得多。例 如，在一個實施例中，電晶體Q2的柵極電容在大約100pF和大約InF的之間，並且電容器 C20的電容被選擇為在大約10nF和大約470nF之間。
[0033] 在一個實施例中，當電晶體Q1關斷時，電晶體Q2操作在線狀區域。當電晶體Q1 關斷時，電流流經電阻器R11和二極體D10到高壓母線203,並且電晶體Q2的漏極（節點 206)處的電壓超過高壓母線203的電壓一個二極體電壓降、跨R11兩端的電阻器電壓降、 和跨電晶體Q2的漏極到源極兩端的電壓降。可替換地，二極體D10可以被耦合到參考電壓 而不是電壓源VBUS。根據一個實施例，參考電壓將決定跨電晶體Q1兩端的近似阻斷電壓， 並且Q2的阻斷電壓可以被選擇以支持由於變壓器TX1可能出現波動的剩餘電壓差。在一 些實施例中，跨電晶體Q1兩端的電壓分布被很好地限定，並大多受制於參考電壓的電壓漂 移，從而使得電晶體Q1的阻斷電壓可能以高精度地來進行選擇。
[0034] 繼續參考圖2的電源系統200,只要電晶體Q1接通，根據一個實施例，流經R11的 電流切換方向，並且二極體D10變為反向偏置。在同一時間，跨電晶體Q2的柵極和源極兩 端的電壓，即節點202和節點201之間的電壓差，被充電到由電容器C20進行採樣的電壓， 同時節點201處的電晶體Q2的源極處的電壓被電晶體Q1下拉，從而確保電晶體Q2被完全 導通。在一些實施例中，Q2在與電晶體Q1的接通時間實際上等同的時間幀內完全導通由 電晶體Q1汲取的電流。
[0035] 在圖2中，實施例的開關控制電路示於反激式開關模式電源的情況中。一般來說， 反激式轉換器的操作期間，耦合到變壓器TX1的初級繞組的節點206的開關被接通，從而對 變壓器TX1的初級繞組進行充電。在圖2所示的實施例中，開關使用電晶體Q1和Q2的串 聯組合來實現。在開關Q1和Q2被接通時，由於初級繞組的電感，流經變壓器TX1的初級繞 組的電流增加。在電晶體Q1被關斷時，由於初級繞組的電感，節點206的電壓上升。
[0036] 在一些實施例中，節點206的電壓可能超過高壓母線203的電壓。一旦節點206 的電壓超過高壓母線203的電壓等同於二極體D10的正向偏置電壓、和跨電阻器R11兩端 和跨電晶體Q2的輸出電阻兩端各自的電壓總和，電流經由電阻器R11和二極體D10從晶體 管Q2的源極回到高壓母線203傳導。在一些實施例中，電阻器R11的電阻被選擇為使得晶 體管Q2保持在線性區域中，並且相比於當電晶體Q1接通時，相對少量的電流從變壓器TX1 的初級繞組傳導。例如，在一個實施例中，電阻器R11的電阻被設定為大約10kQ，以保持通 過電阻器R11的電流在大約0. 1mA到大約2mA之間的範圍內。然而，應當理解的是，在本發 明的可替代實施例中，針對電阻器R11可以選擇不同的電阻，以產生不同範圍的電流。
[0037] 當電阻器R11和二極體D10從變壓器TX1的初級繞組到高壓母線203傳導電流 時，節點204被鉗位在高壓母線203的電壓之上大約一個二極體壓降。在一個實施例中，將 節點204處的電壓鉗位有效地將跨電晶體Q1的漏極和源極兩端的最大電壓限制為近似於 高壓母線203的DC電壓。另外，跨電晶體Q2的漏極和源極兩端的最大電壓被降低了近似 於節點201處所見的電壓。在一個示例實施例中，跨電晶體Q1的漏極和源極兩端的最大電 壓可以在大約70V和大約800V之間，並且跨電晶體Q2的漏極和源極兩端所見的最大電壓 偏移可能在大約200V和大約500V之間。在其他示例實施例中，跨電晶體Q2的漏極和源極 兩端的電壓可以小於跨電晶體Q1的漏極和源極兩端的電壓，反之亦然。通過考慮跨電晶體 Q1的漏極和源極兩端的最大電壓與跨電晶體Q2的漏極和源極兩端所見的最大電壓偏移， 可以相應地選擇電晶體Q1和Q2的阻斷電壓。在一些實施例中，對於電晶體Q1和Q2所需 的阻斷電壓小於在節點206和接地所見的最大電壓偏移。
[0038] 當開關Q1關斷時，存儲在變壓器TX1初級繞組的能量被傳遞到變壓器TX1次級繞 組。在一個實施例中，從變壓器TX1的次級繞組供給的電流將二極體Dout正向偏置、對電 容器C1充電、並為負載Rload供給電流。根據一個實施例，當電晶體Q2和Q1接通時，並且 變壓器TX1的初級線圈在充電時，二極體Dout為反向偏置（不導通）並且電容器C1可以 被配置為向負載Rload提供電壓，而二極體Dout防止電容器C1被放電到變壓器TX1的次 級繞組。
[0039] 在一個實施例中，電阻器R11、電容器C20、和二極體D10還在關斷事件中協助電源 系統200。在其中電晶體Q1和電晶體Q2兩者完全導通並且變壓器TX1被充電的實施例中， 電壓源V3可以關斷電晶體Q1。一旦電晶體Q1不再導通，電阻器R11和二極體D10提供從 節點201到參考電壓的電流路徑，保持節點201處於基本恆定的電壓。一旦電晶體Q2的漏 極（節點206)處的電壓超過參考電壓，電流流經電阻器R11和二極體D10。在圖2所示的 實施例中，連接到高壓母線203的電壓源VBUS被配置為充當參考電壓。
[0040] 現在參照圖3a-C，描繪了各種說明性曲線。圖3a示出了顯示跨電晶體Q1和Q2兩 端的電壓分布相對於時間的實施例波形曲線。波形310表示電晶體Q2的漏極-源極電壓， 並且波形312表示電晶體Q1的漏極-源極電壓。波形314表示節點206處的電壓，其為晶 體管Q1的漏極-源極電壓和電晶體Q2的漏極-源極電壓的總和。區域302描繪了其間晶 體管Q1被關斷的操作時間，並且區域304描繪了其間電晶體Q1被接通的操作時間。波形 316描繪了上面所描述的高壓母線203的電壓。電晶體Q1的漏極-源極電壓312在區域 302中上升，直至其大約等於高壓母線203的電壓316,在各種實施例中，最大漏極-源極電 壓312大約等於、小於、或大於高壓母線203的電壓316。一旦漏極-源極電壓312在區域 302中達到大約高壓母線203的電壓316,電晶體Q2的漏極-源極電壓310上升。在一些 實施例中，電晶體Q2的漏極-源極電壓310可以上升至約小於電晶體Q1的漏極-源極電 壓312的一半。可替換地，電晶體Q2的漏極-源極電壓310可以上升為小於或大於電晶體 Q1的漏極-源極電壓312。在一個實施例中，電晶體Q2的漏極-源極電壓310可以為大約 高壓母線203的電壓316。在一些實施例中，漏極-源極電壓310可以比漏極-源極電壓 312高，並且在一些實施例中，漏極-源極電壓310可以比漏極-源極電壓312低。
[0041] 根據本發明的實施例，電晶體Q1的漏極-源極電壓312 -旦越過關斷區域302可 以為基本上恆定。反之，電晶體Q2的漏極-源極電壓310可以如先前所描述的響應於變壓 器TX1而波動。在一個實施例中，電晶體Q2的漏極-源極電壓310波動，但幅度保持小於漏 極-源極電壓312,後者被保持實際上恆定。在區域304中，當電晶體Q1接通時，隨著流經 電晶體Q1和Q2的電流增加，電晶體Q1和Q2的漏極-源極電壓312和310兩者下降。針 對每個電晶體Q1和Q2的阻斷電壓規格可以通過各自的最大漏極-源極電壓312和310來 確定。在一些實施例中，針對每個設備的最大阻斷電壓小於電源系統的最大輸出電壓。應 當理解的是，所有的圖都未按比例繪製，並且應該理解為電路操作的純粹說明性實施例。
[0042] 圖3b示出了圖示電晶體Q1的柵極-源極電壓320和電晶體Q2的柵極-源極電 壓322的波形。其間電晶體Q1關斷的時間被表示為區域302,以及其間電晶體Q1接通的時 間被表示為區域304。如圖所示，在關斷區域302中，電晶體Q1的柵極-源極電壓322下降 到大約為零或接近於零，從而使電晶體Q1關斷。在一些實施例中，在區域302中，電晶體Q2 的柵極-源極電壓320也可能會下降到大約電晶體Q2的閾值電壓，如電壓水平324所繪。 將柵極電壓320保持在閾值電壓處或接近閾值電壓，使得電晶體Q2至少在線性區域內被偏 置。
[0043] 在接通區域304中，柵極-源極電壓322上升，使電晶體Q1重新接通，並導致晶體 管Q1開始導通。在所示的實施例中，柵極-源極電壓320的上升幾乎沒有延遲，這是因為 電晶體Q2被偏置在線性區域中，而不是完全關斷。因此，電晶體Q2跟隨電晶體Q1的接通 立即導通更高的電流。應當理解的是，所有的圖都未按比例繪製，電路操作應該被理解為純 粹說明性的實施例。
[0044] 圖3c示出描繪實施例的通過電晶體Q2的漏極電流330的波形圖。如圖所示，晶 體管Q2的漏極電流330在電晶體Q1和電晶體Q2接通時增加。在關斷區域302中，漏極電 流330迅速降低，這是因為電晶體Q1不再導通，並且到接地的路徑被切斷。漏極電流330 向下降低到大約電流水平332。在各種實施例中，電流水平332將在範圍內變動，但可以仍 大於零。電流水平332可以等於電晶體Q2操作在線性區域中時流過電晶體Q2的電流。當 電晶體Q1在區域304中重新接通時，漏極電流330開始再次增加。漏極電流330可以在一 定範圍內以大致線性的方式增加。
[0045] 圖4示出描繪了電晶體Q1的漏極電壓442和電晶體Q2的漏極電壓440的實施例 的電壓曲線的波形圖。頂部曲線描繪了周期性的接通和關斷的行為，並且底部曲線顯示了 切除展開視圖450。在接通區域402中，隨著電晶體Q1和Q2兩者向接地節點導通電流，漏 極電壓440和442下降。在關斷區域402中，隨著電晶體Q1關斷並停止向接地節點傳導電 流，漏極電壓440和442上升。根據所示的實施例，電晶體Q1的漏極電壓442上升到大約 800伏，並且然後保持大約恆定。同時，電晶體Q2的漏極電壓440上升約800V到約1100伏 的最大值，如圖所示。
[0046] 如參照圖1-2所描述的，因為電晶體Q1的漏極連接到電晶體Q2的源極，跨電晶體 Q2兩端的最大漏極-源極電壓將是電晶體Q2的漏極電壓440和電晶體Q1的漏極電壓442 之間的電壓差。在所示的實施例中，跨電晶體Q2兩端的漏極-源極電壓約為300伏。因此 可以針對電晶體Q2選擇具有至少大約300伏的阻斷電壓規格的電晶體。電晶體Q1也維持 漏極-源極電壓近似等於電晶體Q1的漏極電壓442,或約800伏。因此可以針對電晶體Q1 選擇具有至少大約800伏的阻斷電壓規格的電晶體。如圖4所示，並且根據一個實施例，跨 電晶體Q1和Q2兩端的漏極-源極電壓很好地得以表徵、可預測、並且得以分配。
[0047] 現在參照圖5所描繪的更詳細的實施例，電源系統500包含了如參考圖2所描述 的所有元件，以及附加的元件。如圖所示，電晶體Q2的柵極上的節點202通過與電阻器R5 串聯的電阻器R7耦合到高壓母線203,並且節點202也通過二極體D17耦合到電晶體Q1的 漏極上的節點201。跨電晶體Q2和電晶體Q1各自的漏極和源極示出漏極到源極的寄生電 容 Q2Cds 和 QlCds。
[0048] 在一個實施例中，在啟動過程期間當電容器C20被完全放電時，電阻器R5和電阻 器R7對電容器C20充電；從而確保電容器C20初始充電到足夠的電壓來接通電晶體Q2。根 據各種實施例，電阻器R5和R7是大的，可以具有在兆歐姆範圍內的總電阻，並可以具有大 約4兆歐姆的總電阻。在一個可替換實施例中，如果單個電阻器的額定功率足以承受該系 統的高壓，可以使用耦合在VBUS和電晶體Q2的柵極之間的單個電阻器。在其它實施例中， 串聯耦合的電阻器的數量可能依賴於所使用的特定電阻器的電壓額定值。
[0049] 二極體D17為保護二極體，其有助於維持電晶體Q2的柵極偏置電壓。參考高壓實 施例，電源系統500的電路內的雜散電容在接通和關斷的瞬態時間期間能夠引起輕微的電 壓波動。根據一個實施例，由於諸如在節點201處的約800伏的高壓節點上的小的雜散電 容能夠引起高達約10伏的波動，二極體D17將防止在接通和關斷的瞬態期間形成跨電晶體 Q2的柵極和源極兩端的負電壓。在一個特定的實施例中，當電晶體Q1被導通到約高壓母線 203,當電晶體Q1沒有被導通時，電晶體Q2的柵極和源極參考電壓從接地切換。二極體D17 可以在存在大的電壓波動時防止電路中的雜散電容引起電晶體Q2的柵極-源極電壓為負。 電容器QlCds和Q2Cds表示電晶體Q1和Q2的寄生漏極-源極電容。
[0050] 現在參照圖6所描述的實施例，電源系統600可以包括兩個以上的電晶體。如圖 所示，如前所述的主要包括電晶體Q2、電阻器R11、電容器C20、和二極體D10的電路，可以被 複製數次。在所示的實施例中，每個電路的重複保持一致的部件數量，其中附加"a"、"b"、或 "c"後綴。由電壓源V3控制的電晶體Q1被連接到最終電晶體Q2c的源極，如圖所示。二極 管DIOa-c現在將電阻器Rlla-c耦合到各自的參考節點Vref_a-c。在一個實施例中，電壓 VBUS的電壓大於節點Vref_a處的電壓，其大於節點Vref_b處的電壓，其大於Vref_c處的 電壓。應當理解的是，更多或更少的電晶體以及所描繪的所附的電路可以在不同的實施例 中使用，並保持在本公開的範圍之內。
[0051] 圖7示出了使用P型電晶體Q1和Q2的實施例電源系統700。如參照前面的圖所 述，電源系統700可以以類似的方式操作，只除了總體上反接了各種極性。根據所示的實施 例，電晶體Q2和電晶體Q1為PFET，電壓源-V3、電壓源-V2、和電壓源-VBUS是負的電源， 並且二極體DIO、D16、D17、以及D0UT是反接的。如圖所示，電晶體Q1的源極耦合到接地， 並且所有參考電壓源是負的。在可替代實施例中，Q1可以以除了接地之外的第一節點為基 準，在這種情況下，參考電壓源被配置為輸出小於該第一節點處電壓的電壓。
[0052] 根據圖8a中所示的實施例，電源系統800的電晶體Q2和電晶體Q1也可以使用 JFET來實現。在所示的實施例中，電源系統800可以相對於先前參照圖1-7所描述的其它 實施例而簡化。具體地，在各種實施例中，電阻器R11可以將節點202上的電晶體Q2的柵 極直接在節點201上耦合到電晶體Q2,省去了對於電源參考電壓和二極體、保護二極體、以 及耦合到節點202的電容器的需要。在一個實施例中，電壓源V3可以提供負的控制電壓信 號。在其它實施例中，快速齊納二極體可以被用作電晶體Q2的柵極上的保護二極體。
[0053] 在另一個實施例中，如在圖8b中所描繪的，電晶體Q1也可以使用開關電晶體，諸 如M0SFET，來實現，而電晶體Q2使用常接通電晶體，諸如JFET，來實現。在可替代實施例中， 常接通電晶體還可以包括，例如，氮化鎵（GaN)電晶體、SOIC JFET、或耗盡型矽M0SFET晶體 管，例如耗盡型NM0S設備。開關電晶體還可以包括，例如增強型M0S設備、NM0S設備、PM0S 設備、BJT、或IGBT。根據各種實施例，電壓源V3可以向電晶體Q1提供正的或負的控制電 壓。電晶體Q2可以是碳化矽（SiC)型JFET，並可以有大的阻斷電壓額定值。在一個實施例 中，電阻器R11和二極體D10向電晶體Q2的柵極和源極提供電壓信號以在各種操作模式期 間將電晶體Q2保持處於導通狀態。
[0054] 圖9示出用於為電動車輛電池充電的實施例系統900。根據圖1-8先前所描述的 實施例，電源系統900連接在電壓源910和電動車輛920之間以形成高壓的電池充電系統。 在各種實施例中，電壓源910可以包括家用充電系統、電源充電站、電源插座、AC或DC電源、 以及它們的任意組合。電動車輛920可以包括含有可充電電池的任何類型的車輛。應當進 一步理解的是，這僅僅是一種實施例的使用，並且電源系統900可以合併入任何電源系統 以用於與用於操作電晶體相關的系統和方法的任何類型的應用。
[0055] 圖10示出了使用第一電晶體Q1和第二電晶體Q2的操作1000的實施例方法，其 中所述第一電晶體Q1具有耦合到第一參考電壓的參考端，和被配置為耦合到開關控制信 號的控制端，所述第二電晶體Q2具有耦合到所述第一電晶體Q1的輸出端的參考端，和被配 置為耦合到負載的輸出端。操作1000的方法包括：通過施加激活信號到第一電晶體Q1的 控制端而接通第一電晶體Q1的步驟1002。步驟1004包括在第二電晶體Q2的控制端和第 二電晶體Q2的參考端之間施加接通電壓，其中，所述接通電壓將第二電晶體Q2偏置於接通 狀態。步驟1006包括通過將解除激活信號施加到第一電晶體Q1的控制端而關斷第一晶體 管Q1。步驟1008包括：對第二電晶體Q2的控制端和第二電晶體Q2的參考端之間的接通 電壓進行採樣。步驟1010包括在第二電晶體Q2的輸出端的電壓超過第三參考電壓時將第 二電晶體Q2的參考端鉗位到第三參考電壓。
[0056] 根據一個實施例，一種電路包括：第一電晶體和第二電晶體，以及控制電路。所述 第一電晶體具有耦合到第一參考節點的參考端，以及被配置為耦合到開關控制信號的控制 端，所述第二電晶體具有耦合到所述第一電晶體的輸出端的參考端和被配置為耦合到負載 的輸出端，並且所述控制電路被耦合到所述第二電晶體的控制端和所述第二電晶體的參考 端。該控制電路被配置為在第二操作模式期間將第二參考節點耦合到所述第二電晶體的控 制端，在第二操作模式期間和第三操作模式期間將浮動參考電壓耦合到所述第二電晶體的 控制端和所述第二電晶體的參考端之間，在第三操作模式期間將第三參考節點耦合到所述 第二電晶體的參考端。第二參考節點被配置成具有可操作以接通所述第二電晶體的電勢， 並且所述浮動參考電壓可操作以接通第二電晶體。
[0057] 在一個實施例中，第一參考節點是接地節點，並且第三參考節點和接地節點之間 的電壓差被配置為大於第二參考節點和接地節點之間的電壓差。所述第一電晶體可以包括 第一 η溝道M0SFET電晶體，並且第二電晶體可以包括第二η溝道M0SFET電晶體。
[0058] 在一個實施例中，控制電路進一步被配置為在第二操作模式期間和第三操作模式 期間將第二η溝道M0SFET電晶體偏置在線性區域中。在一些實施例中，控制電路包括電容 器和第一電阻器，所述電容器具有耦合到所述第二電晶體的控制端的第一端，所述第一電 阻器耦合在第二電晶體的參考端與所述電容器的第二端之間。控制電路還可以包括耦合在 所述第二參考節點和第二電晶體的控制端的第一二極體，和耦合在電容器的第二端和第三 參考節點之間的第二二極體。在一些實施例中，控制電路進一步被配置為在第三操作模式 期間提供從所述第二電晶體的參考端到第二參考節點的電流通路。該電路還可以包括具有 耦合在所述第三參考節點和第二電晶體的輸出端之間的第一繞組的變壓器。
[0059] 在一個實施例中，第一電晶體在第一操作模式期間為接通，在第二操作模式期間 第一電晶體為關斷並且所述第二電晶體的輸出端的電壓低於第一閾值，以及在第三操作模 式期間所述第一電晶體為關斷，並且所述第二電晶體的輸出端的電壓高於第一閾值。
[0060] 根據另一個實施例，操作方法包括通過施加激活信號到第一電晶體的控制端而接 通第一電晶體，在第二電晶體的控制端和第二電晶體的參考端之間施加接通電壓，使得所 述接通電壓將第二電晶體偏置在接通狀態，通過施加解除激活信號到所述第一電晶體的控 制端而關斷第一電晶體，對所述第二電晶體的控制端和所述第二電晶體的參考端之間的接 通電壓進行採樣，並且在所述第二電晶體的輸出端的電壓超過第三參考電壓時將所述第二 電晶體的參考端鉗位到第三參考電壓。所述第一電晶體具有耦合到第一參考電壓的參考 端，和被配置為耦合到開關控制信號的控制端。所述第二電晶體的參考端耦合到所述第一 電晶體的輸出端，並且所述第二電晶體的輸出端被配置為耦合到負載。
[0061] 在一個實施例中，鉗位還包括：當所述第二電晶體的輸出端的電壓超過第三參考 電壓時限制通過第二電晶體的電流。鉗位可以進一步包括將耦合在第三參考電壓和所述第 二電晶體的參考端之間的二極體進行正向偏置，並且限制通過第二電晶體的電流可以包括 限制通過耦合在所述第二電晶體的參考端和所述第三參考電壓之間的電阻器的電流。
[0062] 在一個實施例中，施加接通電壓進一步包括將第二參考電壓耦合到所述第二晶體 管的控制端，並且對接通電壓採樣還包括從第二電晶體的控制端去耦合第二參考電壓。接 通電壓可以在耦合在第二電晶體的控制端和第二電晶體的參考端之間的電容器上被採樣。 在一個實施例中，耦合第二參考電壓包括將耦合在第二參考電壓和第二電晶體的控制端之 間的二極體正向偏置，並且去耦合第二參考電壓包括將耦合在第二參考電壓和第二電晶體 的控制端之間的二極體反向偏置。該方法還可以包括利用第二電晶體的輸出端來驅動變壓 器的繞組。
[0063] 根據又一實施例，電路包括第一電晶體和第二電晶體。所述第一電晶體具有耦合 到第一參考節點的參考端，和被配置為耦合到開關控制信號的控制端。所述第二電晶體具 有耦合到所述第一電晶體的輸出端的參考端，和被配置為耦合到負載端的輸出端。該電路 還包括具有耦合到所述第二電晶體的控制端的第一端和耦合到所述第二電晶體的參考端 的第二端的第一電容器、耦合在第二參考節點和第二電晶體的控制端之間的第一二極體、 和耦合在第三參考節點和所述第一電容器的第二端之間的第二二極體。
[0064] 在一個實施例中，該電路還包括耦合在第一電容器的第二端和第二電晶體的參考 端之間的電阻器。該電路可以進一步包括耦合在第二電晶體的輸出端和負載端之間的第三 電晶體、具有耦合到第三電晶體的控制端的第一端，耦合到第三電晶體的參考端的第二端 的第二電容器、耦合在第二參考節點和第三電晶體的控制端之間的第四二極體、和耦合在 第四參考節點和第二電容器的第二端之間的第五二極體。
[0065] 在一個實施例中，該電路還包括具有耦合到第二電晶體的輸出端的繞組的第一端 的變壓器。在一些情況下，第一繞組的第二端可以耦合到第三參考節點。
[0066] 在一個實施例中，第一電晶體包括第一 M0SFET並且第二電晶體包括第二M0SFET。 該電路還可以包括耦合在第一電容器的第一端和第三參考節點之間的電阻器和/或耦合 在第二電晶體的控制端和第二電晶體的參考端之間的第三二極體。
[0067] 根據又一實施例，電路包括：具有耦合到第一參考節點的參考端，配置成耦合到開 關控制信號的控制端的開關電晶體、具有耦合到開關電晶體的輸出端的參考端和被配置為 耦合到負載端的輸出端的常接通電晶體、具有耦合到常接通電晶體的控制端的第一端和耦 合到常接通電晶體的參考端的第二端的第一電阻器、以及耦合在第二參考節點和常接通晶 體管的控制端之間的第一二極體。開關電晶體可以包括M0SFET，並且常接通電晶體可以包 括 JFET。
[0068] 各種實施例的優點包括在操作期間使用具有小於由半導體開關所見的最大電壓 的阻斷電壓的電晶體的能力。通過使用具有較低阻斷電壓的電晶體，電源系統的尺寸和成 本可以得以被降低。其中開關電晶體的漏極-源極電壓在接通和關斷期間被良好定義的進 一步的有利實施例包括使用彼此不匹配的電晶體的能力。在一些實施例中，這允許系統設 計的靈活性，並可以導致相較於其他的系統而言成本節省。各種實施例的額外的益處包括 電晶體的寄生電容的負面影響下降。在一些實施例中，平衡電路降低了寄生電容，並提高了 瞬態電路行為的可預測性，使得更良好定義的電路部件需求。
[0069] 參考低功率和高電壓應用的進一步優勢，本文所描述的各種實施例提供了低成本 高效率的解決方案，其能有效地替代高壓單管IGBT開關。各種改進方案可以包括降低的功 耗和更商的可實現的頻率。
[0070] 雖然已經對當前實施例及其優點進行詳細說明，應當理解的是，本文可以作出的 各種改變、替換和變更不脫離如所附的權利要求書所限定的本發明的精神和範圍。例如，許 多上面所討論的特徵和功能可以利用不同類型的設備的各種電路元件和電晶體來實現。
[0071] 此外，在本申請的範圍並非旨在被限定於說明書中所描述的過程、機器、製造、物 質組成、手段、方法或步驟的具體實施例。如本領域的普通技術人員將易於從本發明的公開 中了解的，如本文中所描述的響應的實施例那樣實現基本上相同功能或實現相同結果的過 程、機器、製造、物質組成、手段、方法或步驟，當前存在或以後待開發的，都可以根據本發明 來進行利用。因此，所附權利要求書旨將此類過程、機器、製造、物質組成、手段、方法或步驟 包括在其範圍內。
【權利要求】
1. 一種電路，包括： 第一電晶體，具有耦合到第一參考節點的參考端，以及配置為耦合到開關控制信號的 控制端； 第二電晶體，具有耦合到所述第一電晶體的輸出端的參考端和配置為耦合到負載的輸 出端； 控制電路，耦合到所述第二電晶體的控制端以及耦合到所述第二電晶體的所述參考 端，其中所述控制電路被配置為： 在第一操作模式期間，將第二參考節點耦合到所述第二電晶體的所述控制端，其中所 述第二參考節點被配置為具有可操作以接通所述第二電晶體的電勢； 在第二操作模式期間以及在第三操作模式期間，將浮動參考電壓耦合在所述第二晶體 管的所述控制端和所述第二電晶體的所述參考端之間，其中所述浮動參考電壓可操作以接 通所述第二電晶體；以及 在所述第三操作模式期間，將第三參考節點耦合到所述第二電晶體的所述參考端。
2. 根據權利要求1所述的電路，其中： 所述第一參考節點為接地節點；並且 所述第三參考節點和所述接地節點之間的電壓差被配置為大於所述第二參考節點和 所述接地節點之間的電壓差。
3. 根據權利要求2所述的電路，其中： 所述第一電晶體包括第一 η溝道MOSFET電晶體；並且 所述第二電晶體包括第二η溝道MOSFET電晶體。
4. 根據權利要求3所述的電路，其中所述控制電路進一步被配置為在所述第二操作模 式和所述第三操作模式期間將所述第二η溝道MOSFET電晶體偏置在線性區域中。
5. 根據權利要求1所述的電路，其中所述控制電路包括： 電容器，所述電容器包括耦合到所述第二電晶體的所述控制端的第一端；和 第一電阻器，所述第一電阻器耦合在所述第二電晶體的所述參考端與所述電容器的第 二端之間。
6. 根據權利要求5所述的電路，其中所述控制電路進一步包括： 第一二極體，所述第一二極體耦合在所述第二電晶體的所述控制端和所述第二參考節 點之間；和 第二二極體，所述第二二極體耦合在所述電容器的所述第二端和所述第三參考節點之 間。
7. 根據權利要求1所述的電路，其中所述控制電路進一步被配置為提供在所述第三操 作模式期間從所述第二電晶體的所述參考端到所述第二參考節點的電流通路。
8. 根據權利要求1所述的電路，進一步包括變壓器，所述變壓器具有耦合在所述第二 電晶體的所述輸出端和所述第三參考節點之間的第一繞組。
9. 根據權利要求1所述的電路，其中： 所述第一電晶體在所述第一操作模式期間接通； 所述第一電晶體在所述第二操作模式期間關斷，並且所述第二電晶體的所述輸出端處 的電壓低於第一閾值；並且 所述第一電晶體在所述第三操作模式期間關斷，並且所述第二電晶體的所述輸出端處 的電壓高於所述第一閾值。
10. -種操作第一電晶體和第二電晶體的方法，所述第一電晶體具有耦合到第一參考 電壓的參考端和被配置為耦合到開關控制信號的控制端，所述第二電晶體具有耦合到所述 第一電晶體的輸出端的參考端和被配置為耦合到負載的輸出端，其中所述方法包括： 通過將激活信號施加到所述第一電晶體的所述控制端而接通所述第一電晶體； 在所述第二電晶體的控制端和所述第二電晶體的所述參考端之間施加接通電壓，其中 所述接通電壓將所述第二電晶體偏置於接通狀態； 通過將解除激活信號施加到所述第一電晶體的所述控制端而關斷所述第一電晶體； 對所述第二電晶體的所述控制端和所述第二電晶體的所述參考端之間的所述接通電 壓進行採樣；以及 在所述第二電晶體的所述輸出端處的電壓超過第三參考電壓時，將所述第二電晶體的 所述參考端鉗位到所述第三參考電壓。
11. 根據權利要求10所述的方法，其中鉗位進一步包括在所述第二電晶體的所述輸出 端處的所述電壓超過所述第三參考電壓時，對通過所述第二電晶體的電流進行限制。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中： 鉗位進一步包括將耦合在所述第二電晶體的所述參考端與所述第三參考電壓之間的 二極體進行正向偏置；以及 對通過所述第二電晶體的電流進行限制包括對通過耦合在所述第二電晶體的所述參 考端和所述第三參考電壓之間的電阻器的電流進行限制。
13. 根據權利要求10所述的方法，其中： 施加所述接通電壓進一步包括將第二參考電壓耦合到所述第二電晶體的所述控制端； 以及 對所述接通電壓進行採樣進一步包括將所述第二參考電壓從所述第二電晶體的所述 控制端解耦，其中所述接通電壓在耦合在所述第二電晶體的所述控制端和所述第二電晶體 的所述參考端之間的電容器上被採樣。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中： 耦合所述第二參考電壓包括將耦合在所述第二電晶體的所述控制端和所述第二參考 電壓之間的二極體進行正向偏置，以及 將所述第二參考電壓解耦包括將耦合在所述第二電晶體的所述控制端和所述第二參 考電壓之間的二極體反向偏置。
15. 根據權利要求10所述的方法，進一步包括利用所述第二電晶體的所述輸出端來驅 動變壓器的繞組。
16. -種電路，包括： 第一電晶體，所述第一電晶體具有耦合到第一參考節點的參考端，和被配置為耦合到 開關控制信號的控制端； 第二電晶體，所述第二電晶體具有耦合到所述第一電晶體的輸出端的參考端和被配置 為奉禹合到負載端的輸出端； 第一電容器，所述第一電容器具有耦合到所述第二電晶體的控制端的第一端和耦合到 所述第二電晶體的所述參考端的第二端； 第一二極體，所述第一二極體耦合在所述第二電晶體的所述控制端和第二參考節點之 間；以及 第二二極體，所述第二二極體耦合在所述第一電容器的所述第二端與所述第三參考節 點之間。
17. 根據權利要求16所述的電路，進一步包括電阻器，所述電阻器耦合在所述第一電 容器的所述第二端和所述第二電晶體的所述參考端之間。
18. 根據權利要求17所述的電路，進一步包括： 第三電晶體，所述第三電晶體耦合在所述第二電晶體的所述輸出端和所述負載端之 間； 第二電容器，所述第二電容器具有耦合到所述第三電晶體的控制端的第一端和耦合到 所述第三電晶體的參考端的第二端； 第四二極體，所述第四二極體耦合在所述第三電晶體的所述控制端和所述第二參考節 點之間；以及 第五二極體，所述第五二極體耦合在所述第二電容器的所述第二端和第四參考節點之 間。
19. 根據權利要求17所述的電路，進一步包括變壓器，所述變壓器具有耦合到所述第 二電晶體的所述輸出端的繞組的第一端。
20. 根據權利要求19所述的電路，其中所述第一繞組的第二端被耦合到所述第三參考 節點。
21. 根據權利要求16所述的電路，其中： 所述第一電晶體包括第一 MOSFET ;並且 所述第二電晶體包括第二MOSFET。
22. 根據權利要求16所述的電路，進一步包括耦合在所述第一電容器的所述第一端和 所述第三參考節點之間的電阻器。
23. 根據權利要求16所述的電路，進一步包括耦合在所述第二電晶體的所述控制端和 所述第二電晶體的所述參考端之間的第三二極體。
24. -種電路，包括： 開關電晶體，所述開關電晶體具有耦合到第一參考節點的參考端，和被配置為耦合到 開關控制信號的控制端； 常接通電晶體，所述常接通電晶體具有耦合到所述開關電晶體的輸出端的參考端和被 配置為耦合到負載端的輸出端； 第一電阻器，所述第一電阻器具有耦合到所述常接通電晶體的控制端的第一端和耦合 到所述常接通電晶體的所述參考端的第二端；以及 第一二極體，所述第一二極體耦合在所述常接通電晶體的所述控制端和第二參考節點 之間。
25. 根據權利要求24所述的電路，其中： 所述開關電晶體包括MOSFET ;以及 所述常接通電晶體包括JFET。
【文檔編號】H02M1/088GK104242612SQ201410279639
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年6月20日 優先權日:2013年6月21日
【發明者】P·奧塞雷塞, T·杜加爾 申請人:英飛凌科技奧地利有限公司