CN102165694B - 电感负载功率开关电路 - Google Patents

电感负载功率开关电路 Download PDF

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Abstract

本发明描述了包括电感负载和开关器件的功率开关电路。开关器件可以是低侧开关或高侧开关。一些开关是晶体管，使得能够当在晶体管两端施加电压时阻断电压，或防止实质电流流过晶体管。

Description

电感负载功率开关电路
技术领域
本发明涉及功率开关电路，具体地说，涉及使用电感负载的功率开关电路。
背景技术
单侧开关是一种开关构造，其中，开关器件用于将负载连接到处于低电势的节点——“低侧”开关，或将负载连接到处于高电势的节点——“高侧”开关。在图1a中示出了低侧构造，并且在图2a中示出了高侧构造，其中，通过高电压(HV)源来表示在高电势的节点，并且通过接地端子来表示在低电势的节点。在两种情况下，当负载10是电感负载时，当该开关器件断开时，需要续流二极管11(有时称为回扫二极管)来提供用于续流负载电流的路径。例如，如在图1b中所示，当通过施加比器件阈值电压Vth大的栅-源电压Vgs以把将开关器件12偏置为高时，电流13流过负载10，并且流过该开关器件12，二极管11被反向偏置，使得没有大电流通过它。当如图1c中所示，通过施加栅-源电压Vgs＜Vth来把开关器件12切换到低时，通过电感负载10的电流不能急剧终止，因此电流13流过负载10和二极管11，同时没有大电流流过开关器件12。分别在图2b和2c中示出了用于详细描述当开关被偏置为高时，和当开关被断开(切换为低)时的流过高侧开关构造的电流的类似的视图。
理想地，在图1和2的电路中使用的续流二极管11在接通状态中具有低的传导损耗以及良好的开关特性，从而最小化在切换期间的瞬变电流，因此，通常使用肖特基二极管。然而，对于一些应用，肖特基二极管不能够支持足够大的反向偏置电压，因此必须使用表现出较高电导率和切换损耗的高压二极管。通常是晶体管的开关器件12可以是增强型(通常断，Vth＞0)器件或衰竭型(通常通，Vth＜0)器件，其中，增强型也称为E型，并且衰竭型也称为D型。在功率电路中，增强型器件通常用于防止意外接通，以避免对于器件或其他电路部件的损害。在图1和2中的电路的关键问题是大多数高压二极管通常显示高电导率和切换损耗。而且，在高压PIN二极管中的反向恢复电流增加了晶体管的损耗。
对于在图1和2中所示的构造的一种替代方式是替代地使用同步整流，如在图3a-e中所示。除了包括与二极管11反并联的高压金属氧化物半导体(MOS)晶体管61之外，图3a与图2a相同。标准MOS晶体管固有地包含反并联的寄生二极管，因此可以被表示为与二极管63反并联的晶体管62，如图3a中所示。可以在图3b中看出，当开关器件12被偏置为高，并且MOS晶体管61被偏置为低时，MOS晶体管61和二极管11两者阻断与在负载上的电压相等的电压，使得整个电流13流过负载10和开关器件12。当开关器件12切换到低时，如图3c中所示，二极管11通过将栅-漏电压箝位到比晶体管的Vth小并且比寄生二极管的接通电压小的值，来防止晶体管62和寄生二极管63接通。因此，几乎所有的续流电流(freewheeling current)流过二极管11，而仅小的无关紧要的部分流过晶体管沟道和寄生二极管。如在图3d中所示，MOS器件61然后可以被偏置为高，这导致在晶体管62的沟道导电率上的提高，由此使得大多数的续流电流流过晶体管沟道。然而，必须在开关器件12的断开和晶体管62的接通之间设置某个空载时间，以避免从高电压电源(HV)向地的直通电流。因此，紧接着开关器件12从高向低切换后和紧接着开关器件12从低向高切换之前，二极管11接通一定时间。虽然这减少了在没有MOS晶体管61的情况下由二极管11引发的传导损耗，但是其引发了二极管11的完全切换损耗，而与二极管保持接通多长时间无关。
如在图3e中所示，在图3a-d中的电路原理上可以在没有二极管11的情况下操作。在该情况下，寄生二极管63执行与二极管11在图3a-d的电路中执行的功能相同的功能。然而，寄生二极管63通常具有差得多的切换特性，并且承受比标准高压二极管更大的切换损耗，导致提高了的功率损耗，因此通常优选图3a-d的电路。
许多功率开关电路包含一个或多个高侧或低侧开关。一个示例是在图4a中所示的升压型功率因数校正电路，其包含低侧开关。这个电路用在AC至DC电压变换电路的输入端。在这个电路中的低侧开关的构造相对于在图1a中所示的构造略有修改，因为在图1a中，续流二极管11与电感负载10反并联，而在这个电路中，续流二极管11位于电感负载30和输出电容器35之间。然而，这两个电路的基本操作原理是相同的。如图4b中所示，当把开关器件12偏置到高时，电流13通过负载30和开关器件12。续流二极管11的阴极端的电压被输出电容器35保持得足够高，使得续流二极管11被反向偏置，由此没有任何大电流通过它。如图4c中所示，当把开关器件12切换到低时，电感器将在续流二极管11的阳极的电压强制得足够高，使得将续流二极管11正向偏置，并且电流13然后流过电感负载30、续流二极管11和输出电容器35。因为没有大电流可以在二极管中反向流动，所以二极管11在负载电流是0或负值的时段期间，可以防止输出电容器35通过开关器件12的放电，而如果在开始下一个切换周期之前完全将在电感器30中存储的能量传输出去，则会发生这种放电情况。
发明内容
在一个方面，描述了一种开关，包括：第一开关器件，其与组件串联，所述组件包括负载和第二开关器件。所述第一开关器件包括第一沟道，所述第二开关器件包括第二沟道。其中，在第一操作模式中，所述第二开关器件能够阻断在第一方向上在所述第二开关器件两端施加的电压；在第二操作模式中，当在第二方向上在所述第二开关器件两端施加电压，并且所述第二开关器件的栅极被偏置为低于所述第二开关器件的阈值电压时，实质电流流过所述第二开关器件的第二沟道；并且在第三操作模式中，当在所述第二方向上在所述第二开关器件两端施加电压并且所述第二开关器件的栅极被偏置为高于所述第二开关器件的阈值电压时，实质电流流过所述第二开关器件的第二沟道。
所述开关或所述组件可以没有任何二极管。
在另一个方面，描述了一种操作开关的方法。在第一时间，开关的第一开关器件的栅极被偏置为高于所述第一开关器件的阈值电压，并且第二开关器件的栅极被偏置为低于所述第二开关器件的阈值电压，这使得电流从所述开关的高电压侧通过负载向所述开关的低电压侧或接地侧流动。在紧接着所述第一时间的第二时间，在所述第一开关器件的栅极上的偏压被改变得低于所述第一开关器件的所述阈值电压，使得所述第二开关器件在二极管模式中操作，并且阻断电流向地流动。在紧接着所述第二时间的第三时间，在所述第二开关器件的所述栅极上的偏压被改变得高于所述第二开关器件的所述阈值电压，其中，在所述第三时间改变所述偏压与在所述第二时间和所述第三时间之间的开关操作相比减少了传导损耗。
在另一个方面，描述了一种升压模式功率因数校正电路。所述电路包括：第一开关器件，其包括第一沟道；电感负载；电容器；第二开关器件，其包括第二沟道。其中，所述第一开关器件连接到在所述电感负载和浮动栅极驱动电路之间的节点，所述第二开关器件被构造来连接到所述浮动栅极驱动电路，并且所述第二开关器件位于所述电感负载和所述电容器之间。
在另一个方面，描述了一种用于操作升压模式功率因数校正电路的方法。所述方法包括：使得通过所述电感负载的负载电流是连续的；在第一时间，将第一开关器件的栅极偏置得高于所述第一开关器件的阈值电压，并且将第二开关器件的栅极偏置得低于所述第二开关器件的阈值电压，使得电流流过所述第一开关器件；在紧接着所述第一时间的第二时间，将在所述第一开关器件的栅极上的偏压改变得低于所述第一开关器件的所述阈值电压，使得所述第一开关器件在阻断模式中操作，并且使得所述第二开关器件在二极管模式中操作，这允许电流流过所述第二开关器件；在紧接着所述第二时间的第三时间，将在所述第二开关器件的所述栅极上的偏压改变得高于所述第二开关器件的所述阈值电压，其中，在所述第三时间改变所述偏压与在所述第二时间和所述第三时间之间的开关操作相比减少了传导损耗。
在另一个方面，描述了一种用于操作升压模式功率因数校正电路的方法。所述方法包括：使得通过所述电感负载的负载电流是不连续的，感测所述负载电流，并且当所述负载电流接近0时，将在所述第二开关器件的栅极上的偏压从高于所述第二开关器件的阈值电压的电压改变为低于所述第二开关器件的所述阈值电压的电压。
在另一个方面，描述了一种用于操作升压模式功率因数校正电路的方法。所述方法包括：感测通过所述电感负载的负载电流，使得所述负载电流接近0并且在接近0后立即提高，并且当所述负载电流接近0时，将所述第二开关器件从接通切换到断开，并且将所述第一开关器件从断开切换到接通。
在一些实施例中，提供了下面的特征。所述第一操作模式可以包括：将所述第一开关器件的所述栅极偏置得高于所述第一开关器件的阈值电压。所述第二操作模式可以包括：将所述第一开关器件的所述栅极偏置得低于所述第一开关器件的阈值电压。所述第一开关器件可以在所述栅极的相对的侧上具有第一端子和第二端子，并且所述第一端子可以与所述组件相邻，并且较之所述第一开关器件的所述第二端子在操作期间处于更高的电压。所述第一开关器件可以在所述栅极的相对的侧上具有第一端子和第二端子，并且所述第一端子可以与所述组件相邻，并且较之所述第一开关器件的所述第二端子在操作期间处于更低的电压。第一节点可以在所述组件和所述第一开关器件之间，第二节点可以在所述开关的高电压侧，所述第二开关器件能够当所述第一节点的电压低于所述第二节点的电压时阻断电压。第一节点可以在所述组件和所述第一开关器件之间，第二节点可以在所述开关的低电压侧或接地侧，并且，所述第二开关器件能够当所述第一节点的电压高于所述第二节点的电压时阻断电压。所述第二开关器件能够阻断的电压与所述第一开关器件能够阻断的电压相同。所述第二开关器件能够在两个方向上阻断电压。当所述第一开关器件的所述栅极被偏置得低于所述第一开关器件的阈值电压时，所述第二开关器件能够传导电流。当所述第一开关器件的栅极被偏置得低于所述第一开关器件的所述阈值电压时，所有的实质电流可以流过所述第二开关器件的单个主沟道。当所述第二开关器件的所述栅极被偏置得高于所述第二开关器件的所述阈值电压时，与当所述第二开关器件的所述栅极被偏置得低于所述第二开关器件的所述阈值电压时相比，可以减小在所述第二开关器件两端的电压降。所述第二开关器件可以具有正阈值电压。所述第一开关器件可以具有正阈值电压。所述第二开关器件可以是HEMT(高电子迁移率晶体管)。所述第二开关器件可以是III族氮化物HEMT。所述第一开关器件可以是HEMT，所述第一开关器件可以是III族氮化物HEMT。所述第二开关器件可以在结构上与所述第一开关器件相同。在所述第二开关器件两端的电压降在所述第三操作模式中可以比在所述第二操作模式中的更小。所述负载可以是电感负载。所述第一开关器件或所述第二开关器件可以包括高压衰竭型器件和低压增强型器件，所述第二沟道可以是所述高压衰竭型器件的沟道，并且所述第二开关器件的所述阈值电压可以是所述低压增强型器件的阈值电压。所述低压增强型器件可以至少阻断与所述高压衰竭型器件的阈值电压的绝对值相等的电压。所述高压衰竭型器件可以是III族氮化物HEMT。所述低压增强型器件可以是III族氮化物HEMT。所述低压增强型器件可以是SiMOS器件。所述器件可以包括与所述低压增强型器件反并联连接的二极管。所述第一开关器件可以包括高压衰竭型器件和低压增强型器件，所述第一沟道可以是所述高压衰竭型器件的沟道，并且所述第一开关器件的阈值电压可以是所述低压增强型器件的阈值电压。
升压模式功率因数校正电路可以包括下面的特征的一个或多个。所述第一开关器件可以是III-N HEMT。所述第二开关器件可以是III-NHEMT。
对升压模式功率因数校正电路进行操作可包括：使得通过所述电感负载的负载电流是不连续的，感测所述负载电流，并且当所述负载电流接近0时，将在所述第二开关器件的栅极上的偏压从高于所述第二开关器件的阈值电压的电压改变为低于所述第二开关器件的阈值电压的电压。感测通过所述电感负载的负载电流，使得所述负载电流接近0，并且在接近0后立即提高。当负载电流接近0时，所述第二开关器件从接通切换到断开，并且所述第一开关器件从断开切换到接通。
在此所述的方法可以包括下面的特征或步骤的一个或多个。在所述第三时间改变所述偏压与在所述第二时间的开关操作相比，可以减小传导损耗。
附图说明
图1a-c示出了低侧开关和各种偏置情况的电流路径的示意图。
图2a-c示出了高侧开关和各种偏置情况的电流路径的示意图。
图3a-e示出了具有在电感负载上连接的MOSFET的高侧开关和各种偏置情况的电流路径的示意图。
图4a-c示出了升压模式功率因数校正电路和各种偏置情况的电流路径的示意图。
图5a-d示出了低侧开关以及各种偏置情况的电流路径的示意图。
图5e示出了在图5a-d的电路中的开关器件的偏置方案示意图。
图6a-d示出了高侧开关以及各种偏置情况的电流路径的示意图。
图6e示出了在图6a-d的电路中的开关器件的偏置方案。
图7示出了低侧开关的示意图。
图8a-d示出了升压模式功率因数校正电路以及各种偏置情况的电流路径的示意图。
图8e示出了在图8a-d的电路中的开关器件的偏置方案。
图9a-c示出了在图8中的电路的各种操作情况下的作为时间的函数的输入电流。
通过相同的附图标记来指示相同的项。
具体实施方式
下面描述低侧和高侧开关和它们包括的电路，其中，将在图1-3中所示的续流二极管替换为诸如晶体管的开关器件。在图5a和6a中示出了实施例，其中，图5a包括低侧开关，并且图6a包括高侧开关。在图5a和6a中，在图1和2的电路中使用的续流二极管已经被替换为开关器件41。在一些实施例中，这个器件可与用来调制电流路径的开关器件42相同。图5b和6b图示了当将开关器件42偏置为接通(高)并且将开关器件41偏置为断开(低)时的电流路径。图5c和6c示出当开关器件42被切换为断开时的电流路径。开关器件41可以是增强型器件，其中，阈值电压Vth＞0，或开关器件41可以是衰竭型器件，其中，阈值电压Vth＜0。在高功率应用中，期望使用增强型器件，其具有：尽可能大的阈值电压，诸如Vth＞2V或Vth＞3V；在0偏压下的从源极到漏极的高内部势垒(诸如0.5-2电子伏特)；高接通-断开电流比(诸如＞105)；以及高击穿电压(600/1200伏特)和低接通电阻(对于600/1200V分别是＜5或＜10mohm-cm2)。
另外，开关器件41必须具有下面的特性。它必须能够当在端子45/55的电压低于在端子46/56的电压时阻断大电压。当将开关器件42偏置为高时，出现这个情况，如图5b和6b中所示。在此使用的术语“阻断电压”指的是晶体管的这样的能力：当在晶体管两端施加电压时，晶体管防止正常传导期间的操作电流0.0001倍以上的电流流过该晶体管。换句话说，在晶体管阻断对其两端施加的电压的时候，通过该晶体管的总电流不大于在正常传导期间的操作电流的0.0001倍。在此使用的术语“实质电流”包括至少是正常传导期间操作电流的10％的任何电流。开关器件41必须能够阻挡的最大电压取决于具体电路应用，但是通常等于或很接近于对开关器件42指定的最大阻断电压。在一些实施例中，开关器件41能在两个方向上阻断电压。当开关器件42被切换为断开时，开关器件41必须能够在图5c和6c中所示的方向上传导电流13。而且，当如图5c或6c所示来偏置电路时，通过开关器件41的所有的实质电流流过该器件的单个主沟道，其中，可以通过栅极电极来调制该沟道的电导率。这与在图3a-3e中的电路不同，对于图3a-3e的电路而言，向器件61的栅极施加电压信号，使得电流从一个沟道(二极管11或63的沟道)向晶体管62的沟道转移。开关器件41必须能够在这个方向上传导的最大电流取决于具体电路应用，但是通常等于或很接近于对开关器件42指定的最大电流。在一些实施例中，开关器件能够在两个方向上传导电流。
在图5中的电路的详细操作如下。当例如通过将栅-源电压VGS42设置得高于器件阈值电压Vth42而将开关器件42偏置为接通，并且例如通过设置VGS41＜Vth41来将开关器件41偏置为断开时，电流13流过电感负载10和开关器件42，如在图5b中所示。在此，开关器件41被称作处于“阻挡模式”，因它支持其两端的电压，并且同时阻断电流流过它，即，器件41阻断电压。如在图5c中所示，当开关器件42被切换为断开时，通过电感负载10的电流不能急剧改变，因此将在端子45的电压强制得足够高，以使得通过开关器件41来承载续流电流13。注意，在这种操作模式中，即使不改变VGS41，电流也能够流过开关器件41。开关器件41的这种模式的操作被称为“二极管模式操作”。图5的电路可能比图1的电路更优选，因为适合于用在这个应用中的晶体管通常比二极管11具有更低的传导和切换损耗。
依赖于开关器件41的电流电平和阈值电压，当在二极管模式中操作时，通过这个器件的功耗会高得不可接受。在这种情况下，可以通过向开关器件41的栅极施加电压VGS41＞Vth41来实现低功率操作模式，如图5d中所示。为了防止从高电压电源(HV)到地的直通电流，施加在图5e中所示的形式的栅极信号。在图5e中，将其间开关器件42接通并且开关器件41断开的时间标注为“C”。其对应于在图5b中所示的操作模式。当将开关器件42切换为断开时，在开关器件41传导续流电流的时间期间，开关器件41的栅极被驱动为高，这使得开关器件41的漏-源电压仅是接通状态电阻(Rds-on)乘以负载电流。为了防止从高电压电源(HV)到地的直通电流，必须在开关器件42的断开和开关器件41的接通之间设置某个空载时间。这些是在图5e中被标注为“A”的时间。在这些空载时间期间，开关器件41在如上所述的二极管模式中操作。因为与整个切换周期相比这是短的时间，所以总功耗的相对数量低。时间“B”提供了用于开关器件41的主要的损耗系数，并且这对应于当开关器件41被完全增强时的低功率模式。在图5d中图示的操作模式允许在传导损耗上的进一步降低，而切换损耗保持不受影响。
在图5的电路中，当开关器件42被切换为断开时，当开关器件41的栅极保持为低时(图5c)以及当其被驱动为高时(图5d)，所有的实质电流流过开关器件41的主沟道。这可能优选于在图3中的电路的操作，对于图3中的电路的操作而言，在晶体管61保持为低的同时实质电流起初流过二极管，并且一旦晶体管61的栅极被驱动为高，则仅流过主晶体管沟道。在图3中的二极管11和寄生二极管63通常表现出比适合于用在图5的电路中的晶体管41更高的切换损耗。另外，在图5中的开关器件41和42可以是相同或类似的器件，这简化了这个电路的制造。
在图6中的电路的详细操作类似于图5。当例如通过设置VGS42＞Vth42而将开关器件42偏置为接通，并且例如通过设置VGS41＜Vth41来将开关器件41偏置为断开时，电流13流过电感负载10和开关器件42，如在图6b中所示。如在图6c中所示，当开关器件42切换为断开时，通过电感负载10的电流不能急剧改变，因此将在端子56的电压强制得足够负，以使得通过开关器件41来承载续流电流13，并且开关器件41现在在二极管模式中操作。再一次，在这个操作模式中，即使不改变VGS41，电流也能够流过开关器件41。与图5的电路相同，可以通过向开关器件41的栅极施加电压VGS41＞Vth41，可以减少在开关器件41的二极管操作模式期间的功耗，如图6d中所示。再一次，必须在开关器件42的断开和开关器件41的接通之间设置某个空载时间，以避免从高电压电源(HV)向地的直通电流，因此，使用在图6e中所示的偏置方案。
满足开关器件41的以上指定的标准的器件的示例是：任何材料系统的金属半导体场效应晶体管(MESFET)；任何材料系统的结型场效应晶体管(JFET)；任何材料系统的高电子迁移率晶体管(HEMT或HFET)，包括垂直器件，诸如电流孔径垂直电子晶体管(CAVET)；以及，由上列器件构成的双向开关，诸如在2008年9月12日提交的美国申请No.12/209,581中所述的那些，该申请通过引用被整体包含在此。用于HEMT和MESFET的常见材料系统包括GaxAlyIn1-x-yNmAsnP1-m-n或III-V材料，诸如III-N材料、III-As材料和III-P材料。用于JPET的常见材料包括III-V材料、SiC和Si。
优选的是，开关器件41是增强型器件，用于防止意外的接通，以避免对于器件或其他电路部件的损害。因为使用这些器件可以实现大的阻断电压，所以特别期望诸如III族氮化物HFET的III族氮化物(III-N)器件。该器件优选地也表现出高的接入区域导电率(诸如片材电阻＜750ohms/平方)以及具有高击穿电压(600/1200伏特)和低接通电阻(对于600/1200V分别是＜5或＜10mohm-cm2)。该器件也可以包括下面部分的任何一种：表面钝化层，诸如SiN；场板，诸如斜场板；以及，在栅极之下的绝缘体。在其他实施例中，开关器件41是SiC JFET。
在图7中示出可以用于这里所述的任何实施例的开关器件41上的变化。在这个实施例中，如所示，开关器件41包括连接到低压增强型(E型)器件96的高压衰竭型(D型)器件97。开关器件41的这种构造与当高压E型器件用于开关器件41时的情况类似地操作。当在节点46的电压高于在节点45的电压，并且E型器件96的栅极被偏置为0V或低于E型器件96的阈值电压时，D型器件97阻断开关两端的电压。这种构造可以是有益的，因为高压E型器件通常难以制造。D型器件97能够阻断开关两端的最大电压降，该最大电压降对于高电压应用而言可以是600V或1200V，或应用所要求的其他适当的阻断电压。用于高压器件的通常的D型器件阈值电压是大约-5至-10V(D型＝负Vth)。E型器件96可以至少阻挡|Vth|，其中，|Vth|是D型器件的阈值电压的量值(绝对值)。在一些实施例中，E型器件可以阻断大约2*|Vth|。在一些实施例中，D型器件可以阻断大约1200V，并且具有大约-5V的阈值电压，并且E型器件阻断至少大约5V，诸如至少大约10V。D型器件97可以是高压III-NHEMT器件，并且E型器件96可以是Si MOS器件或III-N HEMT器件。当使用Si MOS器件来用于器件96时，如所示，作为诸如肖特基二极管的低损耗二极管的二极管99可选地与器件96反并联，以通过防止在SiMOSFET中固有的寄生反向二极管的接通来减少切换损耗。与图7中的开关器件41所示的类似的构造也可以用于开关器件42，并且该构造也可以用于在图6的高侧开关中的开关器件41和42。可以在美国申请No.12/209,581中找到这种构造的操作的更多细节。
在图8a中示出了升压模式功率因数校正电路。这个电路类似于在图4a中所示的电路，除了二极管11已经被替换为连接到浮动栅极驱动电路72的开关器件41。开关器件41必须满足与在图5和6中的开关器件41相同的规格。这个电路的操作细节如下。当开关器件42被偏置为接通，并且开关器件41被偏置为断开时，如图8b中所示，电流13通过负载30并且通过开关器件42。在节点77的电压被输出电容器35保持得足够高，使得开关器件41处于阻断模式中，由此没有任何实质电流通过它。如图8c中所示，当开关器件42切换为断开时，电感器强制在节点76的电压足够高，使得开关器件41切换到二极管模式，并且电流13然后流过电感负载30、开关器件41、和输出电容器35。
与在图5和6中的电路一样，如在图8d中所示，通过向开关器件41的栅极施加电压VGS41＞Vth41，可以减少在这个电路中的传导损耗。然而，为了使得这个电路适当地操作，必须适当地控制由栅极驱动电路72向开关器件41的栅极施加的信号的时序。存在需要分开考虑的三种情形。第一，在图9a中所示的是负载电流是连续(连续模式)的情形。第二，在图9b中图示的是负载电流不连续(不连续模式)从而在工作周期的某个部分期间没有电流流动的情形。对于这第二种情形，也可能负载电流在工作周期的某个部分期间是负的(在相反方向上流经该负载)。如果存在导向该电路的输入的任何电感或电容部件，则可能发生这种情性。第三，在图9c中图示的是负载电流接近零但是然后立即再一次增大的情形。这种模式被称为“临界模式”。
如果负载电流是连续的，则至开关器件42和41的栅极信号的时序与在图5和6中的电路的类似。为了允许负载电流流过开关器件42，开关器件42被切换为接通，并且开关器件41被切换为断开，如图8b中所示。当开关器件42切换为断开时，电感器强制负载电流通过开关器件41，如图8c中所示，并且开关器件41处于二极管模式中。当电流流过开关器件41时，通过向开关器件41的栅极施加电压VGS41＞Vth41，可以减少传导损耗，如图8d中所示。必须在开关器件42的断开和开关器件41的接通之间设置某个空载时间，以便防止电容器35通过开关器件42和41放电，因此使用在图8e中所示的偏置方案。
在开始下一个切换周期之前，如果在电感器中存储的能量被完全地转移到输出电容器或传输通过了开关器件42，则在电感器中的电流可以变为不连续的或变为负的。在开关器件41或回扫晶体管与负载并联的电路中，诸如在图5和6中的那些电路，即使在负载电流已经降到零之后，使回扫晶体管被增强也没有害处。然而，在回扫晶体管位于电感器30和电容器35之间的图8的功率因数校正电路中，在负载电流降到0后，使开关器件41被增强将导致错误的操作，因为电流将反转符号，并且开始将输出电容器放电。在这样的系统中，必须直接或间接地感测负载电流，并且如果开关器件41是接通，则当电流接近0时它必须断开。例如，一旦电流已经降低到峰值电流的0.1％、1％、3％或5％，则可以将开关器件41断开。
第三种情形，临界模式与不连续模式实质上相同，其差别在于：一旦负载电流接近0，则开关器件42返回到接通。这意味着切换频率不是固定的，而是可调整的，就像在滞后控制器中那样。控制电路因此与不连续情形非常不同，但是关于开关器件42和41的切换顺序的要求是相同的。必须感测电流，以了解它何时接近0，并且当电流接近0时，必须将开关器件41断开。

Claims (39)

1.一种开关，包括：
与组件串联的第一开关器件，所述组件包括负载和第二开关器件，所述第一开关器件包括栅极和第一沟道，所述第二开关器件包括第二沟道，
其中，在第一操作模式中，所述第二开关器件能够阻断在第一方向上在所述第二开关器件两端的电压；
在第二操作模式中，当在第二方向上在所述第二开关器件两端施加电压并且所述第二开关器件的栅极被偏置得低于所述第二开关器件的阈值电压时，则实质电流流过所述第二沟道；以及
在第三操作模式中，当在所述第二方向上在所述第二开关器件两端施加电压并且所述第二开关器件的栅极被偏置得高于所述第二开关器件的所述阈值电压时，实质电流流过所述第二沟道。
2.根据权利要求1所述的开关，其中，所述第一操作模式包括：把所述第一开关器件的所述栅极偏置得高于所述第一开关器件的阈值电压。
3.根据权利要求1所述的开关，其中，所述第二操作模式包括：把所述第一开关器件的所述栅极偏置得低于所述第一开关器件的阈值电压。
4.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，所述第一开关器件在所述栅极的相对的侧具有第一端子和第二端子，并且，所述第一端子与所述组件相邻，且在操作期间，较之所述第一开关器件的所述第二端子，处于更高的电压。
5.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，所述第一开关器件在所述栅极的相对的侧具有第一端子和第二端子，并且，所述第一端子与所述组件相邻，且在操作期间，较之所述第一开关器件的所述第二端子，处于更低的电压。
6.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，第一节点在所述组件和所述第一开关器件之间，第二节点在所述开关的高电压侧，并且，当所述第一节点处的电压低于所述第二节点处的电压时，所述第二开关器件能够阻断电压。
7.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，第一节点在所述组件和所述第一开关器件之间，第二节点在所述开关的低电压侧或接地侧，并且，当所述第一节点处的电压高于所述第二节点处的电压时，所述第二开关器件能够阻断电压。
8.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，所述第二开关器件能够阻断的电压与所述第一开关器件能够阻断的电压相同。
9.根据权利要求8所述的开关，其中，所述第二开关器件能够在两个方向上阻断电压。
10.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，当所述第一开关器件的所述栅极被偏置得低于所述第一开关器件的阈值电压时，所述第二开关器件能够传导电流。
11.根据权利要求10所述的开关，其中，当所述第一开关器件的所述栅极被偏置得低于所述第一开关器件的所述阈值电压时，所有的实质电流流过所述第二开关器件的单个主沟道。
12.根据权利要求11所述的开关，其中，较之当所述第二开关器件的所述栅极被偏置得低于所述第二开关器件的所述阈值电压时，当所述第二开关器件的所述栅极被偏置得高于所述第二开关器件的所述阈值电压时，在所述第二开关器件两端的电压降被减小。
13.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，所述第二开关器件具有正阈值电压。
14.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，所述第一开关器件具有正阈值电压。
15.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，所述第二开关器件是高电子迁移率晶体管。
16.根据权利要求15所述的开关，其中，所述第二开关器件是III族氮化物高电子迁移率晶体管。
17.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，所述第一开关器件是高电子迁移率晶体管。
18.根据权利要求17所述的开关，其中，所述第一开关器件是III族氮化物高电子迁移率晶体管。
19.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，所述第二开关器件在结构上与所述第一开关器件相同。
20.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，较之在所述第二操作模式中，在所述第三操作模式中所述第二开关器件两端的电压降更小。
21.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，所述负载是电感负载。
22.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，所述第一开关器件或所述第二开关器件包括高压衰竭型器件和低压增强型器件，所述第二沟道是所述高压衰竭型器件的沟道，并且所述第二开关器件的所述阈值电压是所述低压增强型器件的阈值电压。
23.根据权利要求22所述的开关，其中，所述低压增强型器件能够至少阻断与所述高压衰竭型器件的阈值电压的绝对值相等的电压。
24.根据权利要求22所述的开关，其中，所述高压衰竭型器件是III族氮化物高电子迁移率晶体管。
25.根据权利要求22所述的开关，其中，所述低压增强型器件是III族氮化物高电子迁移率晶体管。
26.根据权利要求22所述的开关，其中，所述低压增强型器件是SiMOS器件。
27.根据权利要求26所述的开关，进一步包括与所述低压增强型器件反并联连接的二极管。
28.根据权利要求1-3的任何一项所述的开关，其中，所述第一开关器件包括高压衰竭型器件和低压增强型器件，所述第一沟道是所述高压衰竭型器件的沟道，并且所述第一开关器件的阈值电压是所述低压增强型器件的阈值电压。
29.一种操作开关的方法，该方法包括：
在第一时间，所述开关的第一开关器件的栅极被偏置得高于该第一开关器件的阈值电压，并且第二开关器件的栅极被偏置得低于该第二开关器件的阈值电压，使得电流从所述开关的高电压侧经过负载和经过所述第一开关器件而向所述开关的低电压侧流动；
其中，所述第一开关器件与所述负载和所述第二开关器件串联耦接，并且所述第二开关器件具有沟道；
在紧接着所述第一时间的第二时间，在所述第一开关器件的所述栅极上施加偏压使得低于所述第一开关器件的所述阈值电压，从而使电流流经所述第二开关器件的沟道；以及
在紧接着所述第二时间的第三时间，改变所述第二开关器件的偏压使得高于所述第二开关器件的所述阈值电压，其中电流继续流经所述沟道。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，较之在所述第二时间的开关操作，在所述第三时间改变所述偏压，减少了传导损耗。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，当所述第一开关器件的所述栅极上的偏压低于所述第一开关器件的阈值电压，所述第一开关器件阻断电流向地流动。
32.一种升压模式功率因数校正电路，包括：
第一开关器件，所述第一开关器件包括第一沟道；
电感负载；
电容器；以及
第二开关器件，所述第二开关器件包括第二沟道，其中，所述第一开关器件连接到在所述电感负载和浮动栅极驱动电路之间的节点，所述第二开关器件被构造来连接到所述浮动栅极驱动电路，并且所述第二开关器件位于所述电感负载和所述电容器之间。
33.根据权利要求32所述的升压模式功率因数校正电路，其中，在第一操作模式中，所述第二开关器件能够阻断在第一方向上在所述第二开关器件两端施加的电压；在第二操作模式中，当在第二方向上在所述第二开关器件两端施加电压，并且所述第二开关器件的栅极被偏置得低于所述第二开关器件的阈值电压时，实质电流流过所述第二沟道；以及在第三操作模式中，当在所述第二方向上在所述第二开关器件两端施加电压并且所述第二开关器件的栅极被偏置得高于所述第二开关器件的阈值电压时，实质电流流过所述第二沟道。
34.根据权利要求32所述的升压模式功率因数校正电路，其中，当所述第一开关器件的栅极被偏置得高于所述第一开关器件的阈值电压、所述第二开关器件的栅极被偏置得低于所述第二开关器件的阈值电压，并且在所述第二开关器件和所述电容器之间的节点处的电压足够高以保持所述第二开关器件处于阻挡模式时，电流通过所述电感负载和所述第一开关器件。
35.根据权利要求32-34之一所述的升压模式功率因数校正电路，其中，所述第一开关器件是III族氮化物高电子迁移率晶体管。
36.根据权利要求32-34之一所述的升压模式功率因数校正电路，其中，所述第二开关器件是III族氮化物高电子迁移率晶体管。
37.一种用于操作权利要求32的升压模式功率因数校正电路的方法，包括：
使通过所述电感负载的负载电流是连续的；
在第一时间，把所述第一开关器件的栅极偏置得高于所述第一开关器件的阈值电压，并且把所述第二开关器件的栅极偏置得低于所述第二开关器件的阈值电压，使得电流流过所述第一开关器件；
在紧接着所述第一时间的第二时间，把在所述第一开关器件的栅极上的偏压改变得低于所述第一开关器件的所述阈值电压，引起所述第一开关器件在阻断模式中操作并且所述第二开关器件在二极管模式中操作，使得电流流过所述第二开关器件的所述第二沟道；以及
在紧接着所述第二时间的第三时间，把在所述第二开关器件的所述栅极上的偏压改变得高于所述第二开关器件的所述阈值电压，其中，在所述第三时间改变所述偏压之后，电流继续流过所述第二开关器件的所述第二沟道。
38.一种用于操作权利要求32的升压模式功率因数校正电路的方法，包括：
使通过所述电感负载的负载电流是不连续的；
感测所述负载电流；以及
当所述负载电流接近0时，把在所述第二开关器件的栅极上的偏压从高于所述第二开关器件的阈值电压的电压改变为低于所述第二开关器件的所述阈值电压的电压。
39.一种用于操作权利要求32的升压模式功率因数校正电路的方法，包括：
感测通过所述电感负载的负载电流；
使所述负载电流接近0并且在接近0后立即提高；并且当所述负载电流接近0时，把所述第二开关器件从接通切换到断开，并且把所述第一开关器件从断开切换到接通。
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