CN101686018B - 单向金属氧化物半导体场效应晶体管及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明是一种单向金属氧化物半导体场效应晶体管，其包含金属氧化物半导体场效应晶体管、电流检测电路与快速关闭电路。该电流检测电路检测流经该金属氧化物半导体场效应晶体管电流的方向。当检测到顺向电流，该快速关闭电路被除能且形成该金属氧化物半导体场效应晶体管的通道。当检测到逆向电流，该快速关闭电路被致能且无法形成该金属氧化物半导体场效应晶体管的通道。此单向金属氧化物半导体场效应晶体管可被但不受限于应用在同步整流器以有效抑制该逆向电流或该击穿电流至极小值。本发明避免现有技术中因饱和模式下双向导通的特性导致电力转换器中的同步整流器在轻载下的逆向电流或在重载下的击穿电流降低转换器效率或损坏同步整流器的问题。

Description

单向金属氧化物半导体场效应晶体管及其应用

技术领域

本发明揭示一种单向金属氧化物半导体场效应晶体管及其应用。

背景技术

N通道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS)经常被应用于自驱式或他驱式同步整流器(synchronous rectifier)以实现具高效率与低成本的电力转换器(power converters)。当被用作一电力开关(power switch)，NMOS有两种操作模式：(1)截止模式(cut-off mode)当v_GS(t)<V_GS(th)，通道无法被形成；i_D(t)无法流经通道。(2)饱和模式(saturation mode)当v_GS(t)≥V_GS(th)，通道可被形成；i_D(t)可从漏极至源极或从源极至漏极流经通道。其中，v_GS(t)为栅-源极电压；V_GS(th)为栅-源极临界电压(gate-source threshold voltage)且i_D(t)为漏极电流。

由于在饱和模式下双向导通(bidirectional conduction)的特性，以NMOS实现的同步整流器通常苦于在轻载下的逆向电流(reverse current)或在重载下的击穿电流(shoot-through current)。该逆向电流可能降低转换器效率且该击穿电流可能损坏同步整流器。以一具自驱式同步整流器(self-driven synchronous rectifier)的回扫式转换器为例说明击穿电流的因果关系(cause and effect)。若该回扫式转换被操作于连续导通模式(continuous conduction mode，CCM)且初级电力开关与次级自驱式同步整流器之间存在一交互导通(cross conduction)，则该同步整流器的漏-源极跨压除以该同步整流器的微小通道电阻(channel resistance)将导致一巨大击穿电流，其可能损坏该同步整流器。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种单向金属氧化物半导体场效应晶体管及其应用于同步整流器以有效抑制该逆向电流或该击穿电流至一极小值。

本发明的单向金属氧化物半导体场效应晶体管包含一金属氧化物半导体场效应晶体管、一电流检测电路与一快速关闭电路。该金属氧化物半导体场效应晶体管可为一N通道金属氧化物半导体场效应晶体管或一P通道金属氧化物半导体场效应晶体管。该电流检测电路检测流经该金属氧化物半导体场效应晶体管电流的方向。当一顺向电流被检测，该快速关闭电路被除能且该金属氧化物半导体场效应晶体管的通道可被形成。当一逆向电流被检测，该快速关闭电路被致能且该金属氧化物半导体场效应晶体管的通道无法被形成。此单向金属氧化物半导体场效应晶体管可被但不受限于应用在同步整流器以有效抑制逆向电流或击穿电流至一极小值。

附图说明

为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将配合附图对本发明的较佳实施例进行详细的说明，其中：

图1A与图1B为单向金属氧化物半导体场效应晶体管的功能方块图。

图2A与图2B为分别对应于图1A与图1B的实际电路图。

图3为单向金属氧化物半导体场效应晶体管的等效电路符号。

图4A与图4B为以单向金属氧化物半导体场效应晶体管实现的具有自驱式同步整流器的回扫式转换器的电路图。

图5A与图5B分别为以单向金属氧化物半导体场效应晶体管实现的具有自驱式同步整流器的顺向式转换器与具有自驱式同步整流倍流器的顺向式转换器的电路图。

图6为以单向金属氧化物半导体场效应晶体管实现的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器的电路图。

图7与图8分别为在不连续模式下与在连续模式下初级开关晶体管的栅-源极电压、初级电流、次级电流与次级自驱式同步整流器的栅-源极电压的时序图。

主要元件符号说明如下：

100             快速关闭电路

200             电流检测电路

M、M_p           晶体管

Q₁         PNP双极晶体管

N_p、N_s          绕组

GND                               接地端

D                                 受电端

S                                 释电端

G                                 控制端

E                                 发射极

C                                 集电极

B                                 基极

DL                                达灵顿晶体管

R_C、R_B                            电阻

D_U ^*、D_CT、D₁、                    二极管

D₂

CT                                比流器

VD                                虚拟二极管

UMOS、U_R、U_f、                    单向金属氧化物半导体场效应晶体管

U_w、U_u、U_d

i_p                                初级电流

i_s                                次级电流

V_i                                初级输入电压

V_o                                次级输出电压

T_on                               初级开关的导通期间

T_delay                            初级截止与次级导通间的延迟期间

T_reset                            变压器铁心的重置期间

T_S                                切换周期

T_CC                               交互导通期间

具体实施方式

如图1A与图1B所示，单向金属氧化物半导体场效应晶体管(unidirectionalMOSFET，UMOS)包含一控制端G、一受电端D、一释电端S、一金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)M、一电流检测电路(current detection circuit)200与一快速关闭电路(fast turn-off circuit)100。M包含一栅极、一高压端与一低压端。电流检测电路200包含一第一输入端、一第二输入端与一输出端。快速关闭电路100包含一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端与一第二输出端。

M可为一N通道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS)或一P通道金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOS)。若M为一NMOS，则其高压端与低压端分别为其漏极与源极。若M为一PMOS，则其高压端与低压端分别为其源极与漏极。为便于说明，本文假设M为一NMOS。须强调在本发明中M可为但不受限于(can be but not limited to)NMOS。

电流检测电路200用以检测流经M电流的方向。检测方式可为低端检测(图1A)或高端检测(图1B)。在图1A中，电流检测电路200的第一输入端与第二输入端分别连接至M的低压端与释电端S。在图1B中，电流检测电路200的第一输入端与第二输入端分别连接至受电端D与M的高压端。

快速关闭电路100接收电流检测电路200的输出信号与外部驱动电路的控制信号以导通或截止M。快速关闭电路100的第一输入端、第二输入端、第一输出端与第二输出端分别连接至电流检测电路200的输出端、控制端G、M的栅极与M的低压端。

M的高压端与低压端间的通道取决于G与S间的压差、电流检测电路200的输出信号与快速关闭电路100的输出信号。当一顺向(从S至D)电流被检测，快速关闭电路100被除能(disabled)；M的通道可被形成。当一逆向(从D至S)电流被检测，快速关闭电路100被致能(enabled)；M的通道无法被形成。

另外，加强型单向金属氧化物半导体场效应晶体管(enhanced UMOS，e-UMOS)，其包含一UMOS与一额外具有较低顺向电压降(forward voltage drop)的二极管D_U ^*，其阳极与阴极分别连接至释电端S与受电端D(NMOS)或受电端D与释电端S(PMOS)，可于特定应用中进一步降低M的本体二极管导通损失(bodydiode conduction loss)。

图2A与图2B为分别对应于图1A与图1B的两个实际电路图。在本范例中，M以NMOS实现。NMOS的漏极与源极分别作为高压端及低压端。

电流检测电路200以比流器(current transformer)CT与二极管D_CT实现。CT包含初级绕组N_P与次级绕组N_S；黑点表示同极性(polarity)。为便于说明，黑点端与另一端分别称为正极(positive pole)与负极(negative pole)。电流检测电路200的第一输入端、第二输入端与输出端分别为N_P的负极、N_P的正极与N_S的负极。N_P与M串联以检测流经M电流的方向。在图2A中，N_P的正极与负极分别连接至释电端S与M的源极。在图2B中，N_P的正极与负极分别连接至M的漏极与受电端D。N_S与D_CT并联以除能或致能快速关闭电路100。N_S的正极与负极分别连接至D_CT的阳极与阴极。

快速关闭电路100包含达灵顿晶体管(Darlington transistor)DL、电阻R_B与电阻R_C。DL是等效于(equivalent to)二个NPN双极性接面型晶体管(NPN bipolarjunction transistor，npn-BJT)串接(in cascade)。DL的基极B连接至R_B的左端。DL的集电极C连接至R_C的右端与M的栅极。DL的发射极E连接至D_CT的阳极、N_S的正极与M的源极。R_B的右端连接至D_CT的阴极与N_S的负极。R_C的左端连接至控制端G。快速关闭电路100的第一输入端、第二输入端、第一输出端与第二输出端分别为R_B的右端、R_C的左端、DL的集电极C与DL的发射极E。

若CT的检测电流为i_D(t)，则DL的放电电流为

其中h_FE＝β²为DL的直流电流增益(DC current gain)且

为CT的次级对初级圈数比(secondary-to-primary turns ratio)。假设n＝50、i_B(sat)＝0.1mA且h_FE＝10000，则最大可允许(maximum allowable)的逆向电流或击穿电流为i_D(st)，max＝0.5μA。换句话说，一极小逆向电流或击穿电流足以饱和DL并截止M的通道。

当一顺向电流i_D(t)流进N_P的正极，N_S的感应电流

流出N_S的正极并导通D_CT；DL受逆偏截止；M的通道可被v_GS(t)≥V_GS(th)形成；i_D(t)可从源极至漏极(从释电端S至受电端D)流经M(UMOS)的通道。

当一逆向电流i_D(t)流出N_P的正极，N_S的感应电流流进N_S的正极并饱和DL；D_CT受逆偏截止；M的栅-源极电压等于DL的集-发射极饱和电压且小于M的栅-源极临界电压v_GS(t)＝V_CE(sat)<V_GS(th)；M的通道无法被形成；i_D(t)无法从漏极至源极(从受电端D至释电端S)流经M(UMOS)的通道。

为简化后续的电路图，UMOS以如图3所示的等效电路符号(equivalent circuitsymbol)替代。该等效电路符号包含一晶体管M与一虚拟二极管(virtual diode)VD。M用以表示UMOS的通道受控于栅极与源极间的压差；VD用以象征漏极电流的方向受限于VD的极性。亦即，UMOS具有单向导通(unidirectional conduction)的特性；可被但不受限于应用在同步整流器以有效抑制逆向电流或击穿电流至一极小值。

下面将以一些已知电力转换器为例说明UMOS的应用于自驱式同步整流器。

图4A与图4B为以UMOS U_R实现的具有自驱式同步整流器的回扫式转换器(flyback converter)的线路图，其实施例已揭露于申请人之前申请案200710141343.X、200710141359.0与200710140805.6。

图5A与图5B分别为以UMOS U_f与U_w实现的具有自驱式同步整流器的顺向式转换器(forward converter)与具有自驱式同步整流倍流器(current doubler)的顺向式转换器的线路图，其实施例已揭露于申请人之前申请案200710181114.0、200710166927.2(图5A)与200710307335.8(图5B)。

图6为以UMOS U_u与U_d实现的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器(half-bridge LLC resonant converter)的线路图，其实施例已揭露于申请人之前申请案200810092707.4。须强调，因UMOS可有效抑制逆向电流或击穿电流至一极小值，以UMOS实现的具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振转换器毋需如前申请案200810092707.4所述的切换频率大于谐振频率f_s>f_r的限制(constraint)。换言之，切换频率可小于、等于或大于谐振频率。

为简化起见，本文以如图4B所示的具有自驱式同步整流器的低压端回扫式转换器(low-side flyback converter with self-driven synchronous rectifier)说明UMOS的功效。

一、不连续导通模式(discontinuous conduction mode，DCM)：时序图(timingdiagram)示于图7，其中一个切换周期(switching period)可被划分为三个期间(interval)：导通期间(on-interval)0≤t<T_on、重置期间(reset-interval)T_on≤t<T_on+T_reset与死寂期间(dead-interval)T_on+T_reset≤t<T_s；

与

分别为初级开关晶体管与次级同步整流器的栅-源极电压；i_p(t)与i_s(t)分别为初级与次级电流。

表一罗列初级开关晶体管M_P、二极管D₁与D₂、PNP双极晶体管Q₁以及次级同步整流器U_R的导通(on)与截止(off)的情况。

期间	MP	D1	D2	Q1	UR
						0≤t<Ton	off→on	off	off	off	off
Ton≤t<Ton+Treset	on→off	on	on	off	off→on
						Ton+Treset≤t<Ts	off	off	off	on→off	on→off

表一

表一的第二列数据显示在t＝T_on时刻M_P与U_R之间可能存在交互导通；须进一步探讨。当M_P从导通转变为截止，U_R仍为截止。在i_s(t)流经U_R的本体二极管(bodydiode)之后，D₁、D₂与U_R开始导通。因U_R在M_P截止之后从截止转变为导通，故在t＝T_on时刻M_P与U_R之间不存在交互导通。

二、连续导通模式(continuous conduction mode，CCM)：时序图标于图8，其中一个切换周期可被划分为两个期间：导通期间(on-interval)0≤t<T_on与截止期间(off-interval)T_on≤t<T_on+T_s。

表二罗列M_P、D₁、D₂、Q₁与U_R的导通与截止的情况。

期间	MP	D1	D2	Q1	UR
						0≤t<Ton	off→on	off	off	on→off	on→off
Ton≤t<Ton+Ts	on→off	on	on	off	off→on

表二

因表二的第二列数据类似于表一的第二列数据，故在t＝T_on时刻M与U_R之间不存在交互导通。然而，表二的第一列数据显示在t＝0时刻M_P与U_R之间可能存在交互导通；须进一步探讨。当M_P从截止转变为导通，U_R仍为导通。在D₁与D₂截止之后，U_R从导通转变为截止。因U_R在M_P导通之后从导通转变为截止，故在t＝0时刻M_P与U_R之间存在交互导通。若一NMOS被用作自驱式同步整流器，则一巨大击穿电流

$i_{D\left(\mathrm{st}\right)}=\frac{\frac{V_i{N}_s}{N_p}+V_o}{R_{\mathrm{DS}\left(\mathrm{on}\right)}}$

，其中V_i为输入电压；N_p为变压器初级的圈数；N_s为变压器次级的圈数；V_o为输出电压；R_DS(on)为微小通道电阻，将从漏极至源极流经通道且一击穿功率散逸(shoot-through power dissipation)

$P_{d\left(\mathrm{st}\right)}=\frac{i_{D\left(\mathrm{st}\right)}^2{R}_{\mathrm{DS}\left(\mathrm{on}\right)}{T}_{\mathrm{CC}}}{T_S}$

，其中T_CC为交互导通期间(cross conduction interval)；T_S为切换周期，可能损坏该NMOS。本发明采用UMOS为自驱式同步整流器。因UMOS的电流检测电路可立即检测微小的逆向击穿电流且致能快速关闭电路，故逆向击穿电流可被快速关闭电路抑制至一极小值而不会损坏U_R。

于M_P截止与U_R导通间的延迟期间(delay interval)T_delay，i_s(t)流经M的本体二极管。因本体二极管有较高顺向电压降且i_s(t)邻近其峰值，故UMOS在此特定应用中有较大本体二极管导通损失。若UMOS以e-UMOS取代，则二极管D_U ^*可旁通(bypass)本体二极管以进一步降低本体二极管导通损失。

须强调UMOS/e-UMOS的应用于同步整流器可为但不受限于回扫式转换器、顺向式转换器与半桥LLC谐振转换器。

以上所述的实施例仅是说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当无法以其限定本发明的专利范围，即凡是根据本发明所揭示的精神所作的等同的改变或替换，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种单向金属氧化物半导体场效应晶体管，包含：

一控制端、一受电端与一释电端；

一金属氧化物半导体场效应晶体管具有一栅极、一高压端与一低压端；

一电流检测电路具有一第一输入端、一第二输入端与一输出端；以及

一快速关闭电路具有一第一输入端、一第二输入端、一第一输出端与一第二输出端；

其中，该金属氧化物半导体场效应晶体管与该电流检测电路串接于该受电端与该释电端间，该金属氧化物半导体场效应晶体管与该电流检测电路的串接方式为一低端检测或一高端检测，该低端检测的串接方式是该受电端连接该金属氧化物半导体场效应晶体管的该高压端，该金属氧化物半导体场效应晶体管的该低压端连接该电流检测电路的该第一输入端，该电流检测电路的该第二输入端连接该释电端，该高端检测的串接方式是该受电端连接该电流检测电路的该第一输入端，该电流检测电路的该第二输入端连接该金属氧化物半导体场效应晶体管的该高压端，该金属氧化物半导体场效应晶体管的该低压端连接该释电端，该快速关闭电路的该第一输入端、该第二输入端、该第一输出端与该第二输出端分别连接该电流检测电路的该输出端、该控制端、该金属氧化物半导体场效应晶体管的该栅极与该金属氧化物半导体场效应晶体管的该低压端，

当电流从释电端流向受电端被该电流检测电路检测，该快速关闭电路被除能，该控制端之电压施于该金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极，该金属氧化物半导体场效应晶体管的高压端与低压端间的通道被形成；

当一电流从受电端流向释电端被该电流检测电路检测，该快速关闭电路被致能，该金属氧化物半导体场效应晶体管的栅极与低压端等电位，该金属氧化物半导体场效应晶体管的高压端与低压端间的通道无法被形成。

2.根据权利要求1所述的单向金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于还包含一二极管，该二极管跨接于该受电端与该释电端间，以形成一加强型单向金属氧化物半导体场效应晶体管。

3.根据权利要求1所述的单向金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于该金属氧化物半导体场效应晶体管为一n通道金属氧化物半导体场效应晶体管或一p通道金属氧化物半导体场效应晶体管，该高压端与该低压端分别为该n通道金属氧化物半导体场效应晶体管的漏极与源极，或分别为该p通道金属氧化物半导体场效应晶体管的源极与漏极。

4.根据权利要求1所述的单向金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于该电流检测电路包含一比流器与一二极管，该比流器的初级绕组的负极与正极分别作为该电流检测电路的该第一输入端与该第二输入端，该比流器的次级绕组的正极与负极分别连接该二极管的阳极与阴极，该二极管的阴极作为该电流检测电路的该输出端，该二极管的阳极连接该金属氧化物半导体场效应晶体管的该低压端。

5.根据权利要求1所述的单向金属氧化物半导体场效应晶体管，其特征在于该快速关闭电路包含一达灵顿晶体管、一基极电阻与一集电极电阻，该达灵顿晶体管的基极连接该基极电阻的一端，该基极电阻的另一端作为该快速关闭电路的该第一输入端，该达灵顿晶体管的集电极连接该集电极电阻的一端，该集电极电阻的另一端作为该快速关闭电路的该第二输入端，该达灵顿晶体管的集电极与发射极分别作为该快速关闭电路的该第一输出端与该第二输出端。

6.一种具有同步整流器的电力转换器，其特征在于同步整流器为权利要求1所述的单向金属氧化物半导体场效应晶体管或权利要求2所述的加强型单向金属氧化物半导体场效应晶体管。

7.根据权利要求6所述的具同步整流器的电力转换器，其特征在于是一具有自驱式同步整流器的反驰式转换器。

8.根据权利要求6所述的具同步整流器的电力转换器，其特征在于是一具有自驱式同步整流器的顺向式转换器。

9.根据权利要求6所述的具同步整流器的电力转换器，其特征在于是一具有自驱式同步整流倍流器的顺向式转换器。

10.根据权利要求6所述的具同步整流器的电力转换器，其特征在于是一具有自驱式同步整流器的半桥LLC谐振式转换器。

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