CN101447736A

CN101447736A - 同步dc/dc转换器

Info

Publication number: CN101447736A
Application number: CNA2007101965257A
Authority: CN
Inventors: M·A·布里埃; J·张
Original assignee: International Rectifier Corp USA
Current assignee: Infineon Technologies Americas Corp
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2009-06-03
Also published as: CN101447731A

Abstract

公开了一种同步DC/DC转换器，该转换器中的控制开关和同步开关中的一者或两者为基于三价氮化物的耗尽模式。增强模式开关被连接到基于三价氮化物的开关中的一者或两者，并用于防止由基于三价氮化物的开关产生的电流导通，直至正常运行的全部偏压被建立。

Description

同步DC/DC转换器

相关申请

本申请要求2006年11月28日提交的美国临时申请60/867,437的利益，其全部内容作为参考结合于此。

技术领域

本发明涉及DC/DC转换电路，且更特别地涉及一种使用一个或多个耗尽模式的基于三价氮化物的开关的降压转换器(buck converter)。

背景技术

同步降压转换器电路被广泛使用于DC/DC开关应用。传统地，基于硅的功率场效应晶体管(MOSFET)被应用于此类电路。基于三价氮化物的异质结开关也是众所周知的，并比同样尺寸的基于硅的器件具有更大的电流容量和改进的电压承受能力，并且减小了寄生电容。然而，许多适于功率应用的基于三价氮化物的开关通常不具备门极信号。

发明内容

根据本发明的电路是一种转换器，该转换器包括第一开关、三价氮化物耗尽模式开关以及增强模式开关，该增强模式开关被设置于连接三价氮化物耗尽模式开关的导通路径上以选择性地断开/闭合所述连接三价氮化物耗尽模式开关的导通路径。

根据本发明的一个方面，所述增强模式开关使得流向三价氮化物开关的电流被导通。

根据本发明的另一个方面，所述增强模式开关切断流向三价氮化物开关的电流。

附图说明

图1显示了根据现有技术的降压转换器电路；

图2A-2G显示了图1的转换器的波形图；

图3A-3C显示了包括至少一个三价氮化物耗尽模式的器件的降压转换器；

图4-6显示了包括增强模式的启动开关以使电流能够流入处于高边的三价氮化物开关的实施方式；

图7显示了图4-6的实施方式的波形图；

图8-14显示了包括增强模式切断开关以切断流入处于低边的三价氮化物开关的电流的实施方式；

图15显示了图8-14B的实施方式的波形图；

图16显示了包括用于处于低边和高边的三价氮化物开关的启动开关和切断开关的另一个实施方式。

具体实施方式

图1显示了常规的降压转换器电路，该电路包括与控制MOSFET Q₁(基于硅的)串联的具有电压V_in的输入直流源20、输出电感L_out30以及输出节点V_out31。同步MOSFET Q₂(基于硅的)被连接在位于Q₁和L_out之间的开关节点27和地(电池20的返回端)之间。输出电容C_out32按通常方式提供。器件Q₁和Q₂可以具有寄生内部二极管D₁和D₂。

控制集成电路(IC)(驱动器21)被连接到场效应晶体管Q₁和Q₂的门极G₁和G₂，并如图2A和2B所示驱动所述器件。偏压V_DR通过电容22(未示出)连接以激励IC 21。在图2C至2G中示出了电路中各种电流的波形。输出V_out被测量且在G₁和G₂处的电压的计时被适当地修改以改变占空比D(图2A)，从而无论电压V_in怎样变化，均维持预定的固定输出电压V_out。

图1中的同步降压转换器基于其自身的半桥拓扑被广泛应用作为非隔离的功率转换器电路。期望该转换器能够在更高的开关频率下降低无功分量至最小，使得开关Q₁和Q₂的动态特性成为关键因素。因此，图1中的基于硅的MOSFET Q₁和Q₂需要最小化其寄生电容，特别是门极到漏极(米勒)的电容；以及源极到漏极(输出)的电容以增加电路的效率。

氮化镓(GaN)开关是已知的(例如三价异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)器件)，该开关与基于硅的MOSFET相比具有一些改进的开关特性，并且特别是具有较低的寄生米勒(Miller)和输出电容。

在功率转换器应用中，例如DC-DC转换器，期望使用常开(耗尽模式)三价氮化物异质结功率半导体器件。一种这样的应用可以是包括至少一个三价氮化物耗尽模式异质结功率半导体器件的降压转换器。

因此，例如，控制开关Q₁和同步开关Q₂可以同为耗尽模式器件(图3A)，只有同步开关Q₂为耗尽模式器件(图3B)，或者只有控制开关Q₁为耗尽模式器件(图3C)。

在使用至少一个常开(耗尽模式)器件的功率转换器中，如果V_in先于V_dr激励IC驱动器21或V_out被预偏置因而导致在V_in到V_out之间或V_out到地之间的短路，则可能对电路造成损害。

根据本发明的电路通过提供启动开关克服了上述问题，该启动开关解决了V_in和V_dr的激励顺序问题，或者通过提供切断开关来处理预偏置问题。如图16所示，上述两种方案可结合使用。

现在参考图4，在该图中相同的附图标记表示相同的特征，在根据本发明的第一实施方式的电路中，基于硅的启动开关Q₃与三价氮化物耗尽模式的控制开关Q₁串联，该控制开关Q₁与增强模式的硅同步开关Q₂(例如基于硅的MOSFET)处于降压排列。启动开关Q₃是常开开关，该开关在优选实施方式中可以是由来自驱动器23的启动信号EN驱动的基于硅的功率MOSFET。

参考图5，在第二实施方式中，电容25被并联连接于V_in和地之间以减小由于插入启动开关Q₃而引起的寄生分量。其他方面，电路的排布与图4类似。

现在参考图6，在根据本发明的第三实施方式中，所述启动开关Q₃被串联在三价氮化物控制开关Q₁与开关节点27之间。其他方面，图6中所示的电路与图4中所示的第一实施方式的电路类似。

图7显示了包括启动开关Q₃的电路的波形图。因此，当V_in先于驱动器IC的负偏压V_dr被建立时，三价氮化物开关的门极将不被负偏压以关断。因此，所述三价氮化物器件仍然导通以使输入的电压通过Q₁到达输出。为了解决该问题，所述启动开关被关断直至负的V_dr超过所述三价氮化物开关的阈值电压(欠压锁定(UVLO))被建立。启动开关的导通和关断由EN信号控制。在停止激励期间会发生同样的顺序。当V_dr降至低于UVLO阈值时，启动开关关断以阻止由所述三价氮化物开关引发的导通。在正常运行期间，Q₁和Q₂的脉冲信号表示脉冲宽度调制(PWM)转换。

现在参考图8，在根据本发明的第四实施方式的电路中，同步开关Q₂是耗尽模式的三价氮化物开关，同时所述控制开关Q₁是基于硅的器件，例如，基于硅的功率MOSFET。为了防止由于预偏置情况(即在激励期间可能由于功率开关Q₂的放电而存在的部分V_out)而导致的损坏，切断开关Q₄被串联在电感30和输出节点31之间。切断开关Q₄优选为基于硅的开关，例如，基于硅的功率MOSFET，该功率MOSFET由来自驱动器33的驱动信号PBEN来操作。

现在参考图9，在根据第五实施方式的电路中，切断开关Q₄被串联在开关节点27和电感30之间。其他方面，该电路与图8所示的第四实施方式的电路近似。

参考图10，在根据第六实施方式的电路中，切断开关Q₄被串联在同步开关Q₂和开关节点27之间。其他方面，该电路与第四实施方式的电路近似。

参考图11，在根据第七实施方式的电路中，切断开关Q₄被串联在同步开关Q₂和地之间。其他方面，第七实施方式与本发明的第四实施方式近似。

现在参考图12，在根据第八实施方式的电路中，切断开关Q₄被串联在同步开关Q₂的接地点和输出电容32的接地点之间。所述第八实施方式还可以包括并联连接在V_in和Q₂的返回端之间的电容25。电容32提供用于功率级的移动的低阻抗旁路，该旁路包括驱动器和Q₁/Q₂，因为一旦Q₄被关断，地即被切断，则电容32的返回端不再与地相同。其他方面，第八实施方式与第四实施方式近似。

参考图13，在根据第九实施方式的电路中，切断开关Q₄被串联连接在输出电容32和V_out节点31之间。其他方面，第九实施方式与第四实施方式近似。

现在参考图14，在根据第十实施方式的电路中，电容25可以从第八实施方式中省略。注意在本实施方式中，由于切断开关Q₄的存在，V_out的返回端不再是接地端。比较移动了驱动器和Q₁/Q₂的图12，本实施方式移动了V_out。因此，差别是V_in电容的返回端是连接到Q₂还是连接到V_out。

图15显示了根据本发明的包括预偏置的切断开关Q₃的电路的波形图。因此，当部分V_out先于驱动器IC的负偏压V_dr被建立时，Q₂的门极将不被负偏压承受以关断。因此，Q₂仍然导通以放电V_out，这在许多应用中是不允许的。为了解决该问题，所述切断开关被插入到Q₂和提供V_out的电容之间。启动开关被关断直至负的V_dr超过三价氮化物开关的阈值电压(UVLO)被建立。切断开关的导通/关断由PEN信号控制。在停止激励期间发生同样的顺序。当V_dr降至UVLO阈值以下时，切断开关关断以阻止由所述三价氮化物开关引起的导通。在正常运行期间，Q₁和Q₂的脉冲信号表示PWM转换。

图16显示了本发明的另一实施方式，在该实施方式中，启动开关Q₃和切断开关Q₄被一起实现，且控制开关Q₁和同步开关Q₂均是耗尽模式的三价氮化物开关。图16只是表明如何将启动和切断开关与高边和低边三价氮化物开关一同使用的一个实施例。图4-6中用于高边三价氮化物开关与图8-14中用于低边三价氮化物开关的实施方式的结合还可以如图16中的应用以获得更进一步的实施方式。

虽然本发明是利用特定实施方式进行描述的，但是许多其他的变化和修改以及其他应用对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明优选为不被此处公开的特定内容所限定。

Claims

1.一种DC-DC转换器，包括：

第一开关；

三价氮化物耗尽模式开关；以及

增强模式开关，该开关被设置在连接所述三价氮化物耗尽模式开关的导通路径上，以选择性地断开/闭合连接所述三价氮化物耗尽模式开关的导通路径。

2.根据权利要求1所述的转换器，其中所述第一开关是增强模式开关。

3.根据权利要求1所述的转换器，其中所述三价氮化物耗尽模式开关是降压转换器中的控制开关。

4.根据权利要求3所述的转换器，其中所述增强模式开关与所述三价氮化物耗尽模式开关串联连接，且用于使通过所述三价氮化物耗尽模式开关的电流被导通。

5.根据权利要求1所述的转换器，其中所述三价氮化物耗尽模式开关是降压转换器中的同步开关。

6.根据权利要求6所述的转换器，其中所述增强模式开关与所述三价氮化物耗尽模式开关串联连接，且用于使通过所述三价氮化物耗尽模式开关的电流被导通。

7.根据权利要求1所述的转换器，其中所述第一开关和所述三价氮化物耗尽模式开关均被连接到开关节点，且所述三价氮化物耗尽模式开关被连接在所述增强模式开关和所述开关节点之间。

8.根据权利要求1所述的转换器，其中所述第一开关和所述三价氮化物耗尽模式开关均被连接到开关节点，且所述增强模式开关被连接在所述三价氮化物耗尽模式开关和所述开关节点之间。

9.根据权利要求1所述的转换器，其中所述第一开关和所述三价氮化物耗尽模式开关均被连接到开关节点，且该转换器还包括连接在所述开关节点和地之间的输出电路，其中所述增强模式开关是所述输出电路的一部分且用于切断与所述三价氮化物耗尽模式开关中的电流的循环。

10.根据权利要求9所述的转换器，其中所述输出电路包括连接在所述开关节点和输出节点间的电感，以及连接在所述输出节点和地之间的输出电容，其中所述增强模式开关串联连接在所述电感和所述开关节点间。

11.根据权利要求9所述的转换器，其中所述输出电路包括连接在所述开关节点和输出节点间的电感，以及连接在所述输出节点和地之间的输出电容，其中所述增强模式开关串联连接在所述电感和所述输出节点间。

12.根据权利要求9所述的转换器，其中所述输出电路包括连接在所述开关节点和输出节点间的电感，以及连接在所述输出节点和地之间的输出电容，其中所述增强模式开关串联连接在所述输出电容和所述输出节点间。

13.根据权利要求9所述的转换器，其中所述输出电路包括连接在所述开关节点和输出节点间的电感，以及连接在所述输出节点和地之间的输出电容，其中所述增强模式开关串联连接在所述输出电容和地间。

14.根据权利要求9所述的转换器，其中所述输出电路包括连接在所述开关节点和输出节点间的电感，以及连接在所述输出节点和地之间的输出电容，其中所述增强模式开关串联连接在所述三价氮化物耗尽模式器件的接地点和所述输出电容的接地点之间。

15.根据权利要求1所述的转换器，其中所述第一开关和所述三价氮化物耗尽模式开关均被连接到开关节点，所述三价氮化物耗尽模式开关是同步开关，且所述增强模式开关连接在所述三价氮化物耗尽模式开关和所述开关节点之间。

16.根据权利要求1所述的转换器，其中所述第一开关和所述三价氮化物耗尽模式开关均被连接到开关节点，所述三价氮化物耗尽模式开关是同步开关，且所述增强模式开关连接在所述三价氮化物耗尽模式开关和地之间。