CN102570779A - 功率电路及其直流对直流转换器 - Google Patents

Abstract

一种功率电路及其直流对直流转换器。功率电路包含栅极驱动电路及高载子迁移率晶体管。栅极驱动电路以S形(Sigmoid)函数式的跨压控制晶体管的栅源极，使得高载子迁移率晶体管结合栅极驱动电路的整体特性曲线形同单一整流二极管的特性曲线，而能达到整流、续流或反向的效果，同时因高载子迁移率晶体管导通时的低能量损耗而能够使整个功率电路的能量耗损远低于传统二极管。

Description

功率电路及其直流对直流转换器

技术领域

本发明为一种功率电路及其直流对直流转换器，特别是一种具有低流通损的功率电路及其直流对直流转换器。

背景技术

二极管在电子产品的应用相当广泛。通常是利用二极管的整流功能。也就是利用二极管在顺向偏压时，呈导通状态，二极管在逆向偏压时，则为截止状态而不导通的特性来达到整流的效果。

当二极管在导通状态时，所有的电流即流经二极管，此时二极管所消耗的能量即为二极管的截止电压乘上该电流，也就是说，当二极管的截止电压或电流愈大时，其所消耗的能量(一般称为流通损)即愈大。因此，为了减少二极管的流通损，可以降低流经的电流及二极管的截止电压。当二极管被用来做整流元件时，流经该二极管的电流通常为主要电流，较无降低的空间。而二极管的截止电压则与其结构及材质有关，例如以硅为主要材料的二极管的顺向偏压(截止电压)约为0.7伏特(Voltage)、应用于高压电的碳化硅二极管，其截止电压约1.0至1.2伏特、锗二极管的顺向偏压则约0.2伏特。

此外，二极管在使用时，除了上述的流通损外，亦会产生切换损(switching loss)，切换损指的是对二极管在切换导通与截止的瞬间所产生的损耗。当将整流二极管应用于如电流供器、桥式整流器、驰返式直流对直流转换器(Flyback direct current to direct current converter)、或前驱式(forward)直流对直流转换器时，上述的流通损与切换损通常几乎占了整个电源供应器总能量损耗的一半，因此，在节能的趋势下，如何减少整流二极管的能量损耗一直是业界持续关注的议题。

发明内容

基于上述问题，所提出的功率电路(功率电路可应用于功率转换，即形成整流电路或续流电路)及其直流对直流转换器，除了能降低前述的导通损耗(或称流通损)外，亦能降低切换损。

依据一实施例，一种功率电路包含高载子迁移率晶体管及栅极驱动电路，栅极驱动电路的阳极、阴极及驱动端各别电性连接于高载子迁移率晶体管的漏极、源极及栅极，且栅极驱动电路满足下述公式：

$v_{\mathrm{GS}}=V^{+}(1/e^{-v_{\mathrm{DS}}/\mathrm{\β}})/1+e^{-v_{\mathrm{DS}}/\mathrm{\β}}$

其中，V_GS为该驱动端与该阴极间的电压，V_DS为该阳极与该阴极间的电压，β为该栅极驱动电路的特性常数。

依据一实施例，栅极驱动电路包含第一基纳二极管、第二基纳二极管、及电阻，第一基纳二极管的阳极电性连接于该源极，第二基纳二极管的阴极电性连接至第一基纳二极管的阴极，电阻二端各别电性连接至漏极及第二基纳二极管的阳极。该高载子迁移率晶体管满足下述特性方程式：

$i_D=I_{D\max }\frac{1}{1+e^{-\frac{v_{\mathrm{GS}}-\mathrm{\α}{V}_T}{\mathrm{\γ}}}}$

γ＝(1+α)V_T/6

其中，i_D为流经该漏极的电流，γ为比例因子，V_T为截止电压，I_Dmax为流经该漏极的电流的最大值，α为该高载子迁移率晶体管的一特性常数。

依据一实施例，一种直流对直流转换器包含控制电路、初级侧线圈、次级侧线圈、电容、及整流电路。控制电路接收电源并转换成预定频率的电压信号。初级侧线圈接收该电压信号。次级侧线圈具有第一端及第二端，该次级侧线圈对应配置于该初级侧线圈，以响应该电压信号而于该第一端与该第二端产生一次级侧信号。电容具有第一端与第二端，该第二端电性连接于次级侧线圈的第二端。整流电路具有阳极与阴极，阳极电性连接次级侧线圈的第一端，阴极电性连接于电容的第一端，整流电路包含高载子迁移率晶体管及栅极驱动电路，栅极驱动电路的阳极、阴极及驱动端各别电性连接于高载子迁移率晶体管的漏极、源极及栅极，且栅极驱动电路满足下述公式：

$v_{\mathrm{GS}}=V^{+}(1/e^{-v_{\mathrm{DS}}/\mathrm{\β}})/1+e^{-v_{\mathrm{DS}}/\mathrm{\β}}$

其中，V_GS为该驱动端与该阴极间的电压，V_DS为该阳极与该阴极间的电压，β为该栅极驱动电路的特性常数。

通过前述功率电路(或称整流电路)的特征，栅极驱动电路对高载子迁移率晶体管的栅极与源极间形成S型(Sigmoid)函数式的跨压，而高载子迁移率晶体管依其特性方程式作动后，即在其漏极与源极间形成类似二极管的整流特性；其次，高载子迁移率晶体管的能量损耗是与栅极区域面积成正比，其能量损耗远低于传统二极管的能量损耗。

关于本公开的内容说明及以下的实施方式的说明系用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。有关本公开的特征与实作，兹配合附图及实施例说明如下。

附图说明

图1为依据本公开一实施例的整流电路的电路方块示意图。

图2为依据本公开一实施例的高载子迁移率晶体管特征的电压电流曲线示意图。

图3为依据本公开一实施例的栅极驱动电路的V_GS与V_DS特性曲线示意图。

图4为依据本公开一实施例的整流电路的理想特性曲线示意图。

图5为依据本公开一实施例的整流电路的另一电路方块示意图。

图6为依据本公开一实施例的整流电路的特性曲线示意图。

图7为依据本公开一实施例的直流对直流转换器的电路方块示意图。

图8为依据本公开一实施例的三相马达控制电路的电路方块示意图。

【主要元件符号说明】

20                                 功率电路、整流电路、续流电路

20A                                阳极

20C                                阴极

30                                 高载子迁移率晶体管

30D                                漏极

30G                                栅极

30S                                源极

40                                 栅极驱动电路

40A                                阳极

40C                        阴极

40D                        驱动端

42                         第一基纳二极管

42A                        阳极

42C                        阴极

44                         第二基纳二极管

44A                        阳极

44C                        阴极

46                         电阻

46a，46b                   两端

50                         直流对直流转换器

52                         控制电路

54                         初级侧线圈

56                         次级侧线圈、

56a                        第一端

56b                        第二端

58                         电容

58a                        第一端

58b                        第二端

60                         直流电源

62                         栅极驱动电路

64                         功率晶体管

66                         负载

具体实施方式

首先，请参阅「图1」，为依据本公开一实施例的功率电路的电路方块示意图。从图中可以见悉，功率电路20包含高载子迁移率晶体管30、及栅极驱动电路40。功率电路20可产生如同整流二极管的整流效果或是产生如同续流二极管的续流功能(容后详述)，功率电路20包含阳极20A(Anode)及阴极20C(Cathode)。当外加于阳极20A与阴极20C的电压为顺向偏压时(即阳极20A的电压值减阴极20C的电压值为正值时)，功率电路20即导通阳极20A与阴极20C；反之，当外加于阳极20A与阴极20C的电压为逆向偏压时(即阳极20A的电压值小于阴极20C的电压值时)，功率电路20即断开阳极20A与阴极20C间的电性连接。

高载子迁移率(High Electron Mobility Transistors，HEMT，或称高电子迁移率)晶体管30具有漏极30D(Drain)、栅极30G(Gate)、及源极30S(Source)。请续参阅「图2」，其为依据本公开一实施例的高载子迁移率晶体管30特征的电压电流曲线示意图。从图中的水平轴为漏极30D与源极30S间的电压值V_DS，单位为伏特(Volt，V)，而垂直轴为漏极30D与源极30S间的电流值I_DS，图中各曲线分别表示在不同的栅极30G与源极30S间的电压V_GS时I_DS对V_DS的特性曲线。从图中可以看出高载子迁移率晶体管30在栅源电压V_GS小于-4V时，高载子迁移率晶体管30方才截止(即断开其漏极30D与源极30S间的导通状态)。反之，只要栅源电压V_GS大于约-4V时，高载子迁移率晶体管30即呈导通状态(即导通漏极30D与源极30S)。

前述高载子迁移率晶体管30可以是但不限于氮化镓(GaN HEMT)或氮化铝镓(AlGaN HEMT)高载子迁移率晶体管，其可以是耗尽型(DepletionMode)高载子迁移率晶体管、常关型(Normally-off)高载子迁移率晶体管、耗尽型的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，MOSFET)、或常关型的金属氧化物半导体场效应晶体管。

以氮化镓高载子迁移率晶体管为例，其拥有高崩溃电压，能够有效减少导通时造成的通损，原因为有高崩溃电压的晶体管可以被设计在很靠近电极的地方，来降低电流流通时的导通损耗。氮化镓高载子迁移率晶体管比硅晶体管减低至1/5的导通损耗且同时拥有快速的切换特性，所以也能降低至1％的切换损耗。氮化镓高载子迁移率晶体管拥有高输出功率密度、高操作电压、以及低的切换损失的特性。在脉冲的操作下，元件的第一次截止，而在高压电场的情况下电子被注入到缺陷中(表面或缓冲层缺陷)。当通道度打开，被束缚住的电子无法及时回应，如此，氮化镓功率晶体的瞬间能量就被减少。因为极化现象，氮化铝镓或氮化镓高载子迁移率晶体管有二维电子气层(two-dimensional electron gas，2DEG)，其中电子有高载子迁移率且有低导通电阻及高切换速度。

依「图2」所示的特性曲线为典型的20厘米(mm，millimeter)的耗尽型(Depletion Mode)氮化镓高载子迁移率晶体管直流(Direct Current，DC)特征曲线，在栅极30G与源极30S压差V_GS为零时，最大电流量为20安培(A)，而其漏极膝点电压(Drain knee voltage)可依制程的差异控制在1至5V，截止电压约为200V。

前述高载子迁移率晶体管的特性方程式(1)及(2)如下：

$i_D=I_{D\max }\frac{1}{1+e^{-\frac{v_{\mathrm{GS}}-\mathrm{\α}{V}_T}{\mathrm{\γ}}}}$                                     式(1)

γ＝(1+α)V⁺/6                            式(2)

其中，i_D为流经该漏极的电流，γ为比例因子，V_T为截止电压，I_Dmax为流经该漏极的电流的最大值，α为该高载子迁移率晶体管的一特性常数，可经由参数拟合法(parameter fitting)(或称之为实验回归法)获得，V+为一常数。

前述栅极驱动电路40具有阳极40A(Anode)、阴极40C(Cathode)、及驱动端40D。驱动端40D、阳极40A及阴极40C各别电性连接于晶体管30的栅极30G、漏极30D及源极30S。栅极驱动电路40满足下述公式(3)：

$v_{\mathrm{GS}}=V^{+}(1/e^{-v_{\mathrm{DS}}/\mathrm{\β}})/1+e^{-v_{\mathrm{DS}}/\mathrm{\β}}$                                   式(3)

其中，V_GS为该驱动端40D与该阴极40C间的电压差(也可称为该栅极30G与该源极30S间的电压差，简称栅源极压差V_GS)，V_DS为该阳极40A与该阴极40C间的电压(也可称为该漏极30D与该源极30S间的电压差，简称漏源极压差V_DS)，β为该栅极驱动电路40的一特性常数，可经由参数拟合法(parameter fitting)(或称之为实验回归法)获得。

请参阅「图3」，其为依据本公开一实施例的栅极驱动电路的V_GS与V_{D S}特性曲线示意图。栅极驱动电路40在满足特性方程式(2)时，其栅源极压差V_GS与漏源极压差V_DS间的特性曲线即如「图3」所示。图中可以看见栅极驱动电路40在漏源极压差V_DS大于零时，即输出栅源极压差V_GS为+V。反之，当漏源极压差V_DS小于零时，即输出栅源极压差V_GS为-V。此即所谓的S形(Sigmoid)函数式特性曲线。S形函数式中，当方程式(3)中的β趋近于零，则使得驱动端40D开与关之间没有过渡区域。

因此，通过高载子迁移率晶体管30及S形栅极驱动电路40的结合，即可使得功率电路20的特性曲线如同「图4」所示，其为依据本公开一实施例的功率电路的理想特性曲线示意图。图中的水平轴为功率电路20的阳极20A与阴极20C间的电压差(也可称为晶体管漏源极压差V_DS)，而垂直轴为功率电路20的阳极20A与阴极20C间的电流值I_DS。从图中可以见悉，当功率电路20的阳极20A与阴极20C间施于顺向偏压时，其阳极20A与阴极20C间即导通，且在阳极20A与阴极20C间的电流达到最大值I_MAX前，电压与电流之间成正比。

再者，请搭配「图5」继续阅读。其为依据本公开一实施例的功率电路的另一电路方块示意图。图中可以看见功率电路20包含高载子迁移率晶体管30、及栅极驱动电路40。栅极驱动电路40包含第一基纳二极管42、第二基纳二极管44、及电阻46。

第一基纳二极管42具有阳极42A与阴极42C。第二基纳二极管44具有阳极44A与阴极44C。第一基纳二极管42的阳极42A电性连接高载子迁移率晶体管30的源极30S(即功率电路20的阴极20C)。第一基纳二极管42的阴极42C电性连接第二基纳二极管44的阴极44C。而电阻46的两端46a，46b分别电性连接于高载子迁移率晶体管30的漏极30D及第二基纳二极管44的阳极44A。

从「图5」来看，依据节点定律(Kirchhoff′s Current Law，KCL定律，或称克希霍夫电流定律)，从功率电路20阳极20A流入的电流等于流入高载子迁移率晶体管30与电阻46的电流：i＝i_D+i_R。同理，i_R＝i_Z+i_G。利用克希霍大电压定律(Kirchhoff′s Voltage Law，KVL定律)可以得到V＝i_RR1+V_GS。其中R1为电阻46的电阻值。V则为功率电路20阳极20A与阴极20C间的压差。将之套用于上式(1)，与式(2)，经由氮化镓高载子迁移率晶体管的截止电压(V_T)得到下述式(4)与式(5)：

γ＝(1+α)V_T/6                             式(4)

$i_D=I_{D\max }\frac{1}{1+e^{6(\frac{\mathrm{\α}}{1+\mathrm{\α}}-\frac{v_{\mathrm{GS}}}{(1+\mathrm{\α})V_T})}}$                                        式(5)

其中，串联的第一、第二基纳二极管42，44的电流与电压关系可被Gompertz方程式所结合，如下式：

$v_{\mathrm{GS}}=V_{Z2}\frac{i_Z/\mathrm{\β}}{\sqrt{1+{(i_Z/\mathrm{\β})}^2}}$                               式(6)

其中，V_Z2＝V_Z+V_γ，i_Z＝(V-V_GS)/R1-i_G，其中i_Z为流经第二基纳二极管44的电流，V_Z为基纳二极管的反向崩溃电压，而V_γ为基纳二极管的正向导通偏压。假设i_G很小可以忽略不计，则i_Z＝(V＝V_GS)/_R1 i_Z＝(v-v_GS)/R₁，栅极至源极的跨压如下式(7)：

(βR₁v_GS)²+(v-v_GS)²(v_GS ²-V_Z2 ²)＝0                       式(7)

请参考「图6」，其为依据本公开一实施例的功率电路的特性曲线示意图。其结果与「图4」的理想输出结果吻合。其次，就本实施例与传统整流二极管的能量消耗做一比较分析，传统二极管的能量消耗可以被表示成P≈i²R。举例而言，如果以电流为4安培的整流二极管为例，如果采用型号为PSF10A40的二极管，其功率消耗约为4W，又如，采用一般的碳化硅二极管，其功率消耗约为4.8W。反之，如果采用本实施例，则以3mΩ-cm²的氮化镓晶体管，其栅极区域为5mm²，即可推导得到约0.06欧姆的导通阻抗以及0.96W的能量损失，两者相较，本实施例的能量损耗约为传统的1/4至1/5。

再者，请参阅「图7」，其为依据本公开一实施例的直流对直流转换器的电路方块示意图。从图中可以得知，直流对直流转换器50包含控制电路52、初级侧线圈54、次级侧线圈56、整流电路20(也可称为功率转换电路，即前述的功率电路20做为整流的应用)、以及电容58。

控制电路52接收一电源Vin并将之转换为一预定频率的电压信号。初级侧线圈54则接收该电压信号。次级侧线圈56具有第一端56a及第二端56b。次级侧线圈56对应初级侧线圈54而配置，以响应初级侧线圈54的电压信号而于第一端56a与第二端56b产生次级侧信号。此次级侧信号为响应该初级侧的电压信号的预定频率而产生的。

电容58的第二端58b电性连接至次级侧线圈56的第二端56b。整流电路20的具有阳极20A与阴极20C，阳极20A电性连接次级侧线圈56的第一端56a，整流电路20的阴极20C则电性连接于电容58的第一端58a。

整流电路20包含高载子迁移率晶体管30、及栅极驱动电路40。栅极驱动电路40包含第一基纳二极管42、第二基纳二极管44、及电阻46。电阻46、第二基纳二极管44、第一基纳二极管42系图式方式串联后，与高载子迁移率晶体管30并联，而形成前述整流电路20。如同前述整流电路20的说明，整流电路20的功效可以视为一整流二极管，因此，通过整流电路20搭配适当的电容58，即可顺利将次级侧信号整流成为直流信号，由于，本实施例的整流电路20具有上述能大幅降低流通损耗的优点，故将此整流电路20应用于直流对直流转换器50上时，即能有效降低直流对直流转换器50所损耗的能量。

虽然，本公开的整流电路20是以「图7」的方式应用于直流对直流转换器50上，但并非用以限定本公开整流电路20的应用领域，任何功率转换器、驰返式转换器、前驱式转换器、变压器或其他需要应用整流电路的场合，均能采用本公开的整流电路20。

此外，也可将本发明的功率电路20替代于续流二极管(FreewheelingDiode)，例如但不限于，将功率电路20的二端连接到相互串联的电感与电阻的二端，以形成续流二极管(又称flyback diode，Suppressor Diode，CatchDiode)，以消除反驰(Flyback)现象及突波(sudden voltage spike)。

关于功率电路20做为续流的应用，请参阅「图8」。其为依据本公开一实施例的三相马达控制电路的电路方块示意图。图中可以看见，三相马达控制电路包含直流电源60、栅极驱动电路62、功率晶体管64、续流电路20(即功率电路20做为续流应用)、及负载66。

直流电源60产生直流电。栅极驱动电路62控制功率晶体管64的栅极，使整个电路对负载66产生三相马达的控制信号。续流电路20的细部结构即为前述功率电路20的细部结构，通过该功率电路20应用于此三相马达控制电路中，此功率电路20即为一续流电路20。前述将功率电路20应用于功率转换的例子，即为前述的整流电路20或续流电路20。

Claims (13)

1.一种功率电路，包含：

一高载子迁移率晶体管，具有一漏极、一源极及一栅极；以及

一栅极驱动电路，具有一阳极、一阴极及一驱动端，该驱动端与该阴极各别电性连接于该栅极与该源极，该阳极电性连接于该漏极，该栅极驱动电路对该栅极与该源极间形成S型函数式的跨压。

2.如权利要求1所述的功率电路，其中该栅极驱动电路满足下列公式：

$v_{\mathrm{GS}}=V^{+}(1/e^{-v_{\mathrm{DS}}/\mathrm{\β}})/1+e^{-v_{\mathrm{DS}}/\mathrm{\β}}$

其中，V_GS为该驱动端与该阴极间的电压，V_DS为该阳极与该阴极间的电压，β为该栅极驱动电路的一特性常数，V⁺为一常数。

3.如权利要求2所述的功率电路，其中该栅极驱动电路包含：

一第一基纳二极管，具有一阳极及一阴极，该阳极电性连接于该源极；

一第二基纳二极管，具有一阳极及一阴极，该第二基纳二极管的该阴极电性连接至该第一基纳二极管的该阴极；以及

一电阻，其二端各别电性连接至该漏极及该第二基纳二极管的该阳极。

4.如权利要求2所述的功率电路，其中该高载子迁移率晶体管满足下述特性方程式：

$i_D=I_{D\max }\frac{1}{1+e^{-\frac{v_{\mathrm{GS}}-\mathrm{\α}{V}_T}{\mathrm{\γ}}}}$

γ＝(1+α)V_T/6

其中，i_D为流经该漏极的电流，γ为比例因子，V_T为截止电压，I_Dmax为流经该漏极的电流的最大值，α为该高载子迁移率晶体管的一特性常数。

5.如权利要求4所述的功率电路，其中该栅极驱动电路包含：

一第一基纳二极管，具有一阳极及一阴极，该阳极电性连接于该源极；

一第二基纳二极管，具有一阳极及一阴极，该第二基纳二极管的该阴极电性连接至该第一基纳二极管的该阴极；以及

一电阻，其二端各别电性连接至该漏极及该第二基纳二极管的该阳极。

6.如权利要求5所述的功率电路，其中该高载子迁移率晶体管为氮化镓高载子迁移率晶体管或氮化铝镓高载子迁移率晶体管。

7.如权利要求6所述的功率电路，其中该高载子迁移率晶体管为耗尽型高载子迁移率晶体管或常关型高载子迁移率晶体管。

8.一种直流对直流转换器，包含：

一控制电路，接收一电源并转换成一预定频率的电压信号；

一初级侧线圈，接收该电压信号；

一次级侧线圈，具有一第一端及一第二端，该次级侧线圈对应配置于该初级侧线圈，以响应该电压信号而于该第一端与该第二端产生一次级侧信号；

一电容，具有一第一端与一第二端，该第二端电性连接于该次级侧线圈的该第二端；以及

一整流电路，具有一阳极与一阴极，该阳极电性连接该次级侧线圈的该第一端，该阴极电性连接于该电容的该第一端，该整流电路包含：

一高载子迁移率晶体管，具有一漏极、一源极及一栅极；以及

一栅极驱动电路，具有该阳极、该阴极及一驱动端，该驱动端与该阴极各别电性连接于该栅极与该源极，该阳极电性连接于该漏极，该栅极驱动电路对该栅极与该源极间形成S型函数式的跨压。

9.如权利要求8所述的直流对直流转换器，其中该栅极驱动电路满足下列公式：

$v_{\mathrm{GS}}=V^{+}(1/e^{-v_{\mathrm{DS}}/\mathrm{\β}})/1+e^{-v_{\mathrm{DS}}/\mathrm{\β}}$

其中，V_GS为该驱动端与该阴极间的电压，V_DS为该阳极与该阴极间的电压，β为该栅极驱动电路的一特性常数，V⁺为一常数。

10.如权利要求9所述的直流对直流转换器，其中该高载子迁移率晶体管满足下述特性方程式：

$i_D=I_{D\max }\frac{1}{1+e^{-\frac{v_{\mathrm{GS}}-\mathrm{\α}{V}_T}{\mathrm{\γ}}}}$

其中，i_D为流经该漏极的电流，γ为比例因子，V_T为截止电压，I_Dmax为流经该漏极的电流的最大值，α为该高载子迁移率晶体管的一特性常数。

11.如权利要求10所述的直流对直流转换器，其中该栅极驱动电路包含：

一第一基纳二极管，具有一阳极及一阴极，该阳极电性连接于该源极；

一第二基纳二极管，具有一阳极及一阴极，该第二基纳二极管的该阴极电性连接至该第一基纳二极管的该阴极；以及

一电阻，其二端各别电性连接至该漏极及该第二基纳二极管的该阳极。

12.如权利要求11所述的直流对直流转换器，其中该高载子迁移率晶体管为氮化镓高载子迁移率晶体管或氮化铝镓高载子迁移率晶体管。

13.如权利要求12所述的直流对直流转换器，其中该高载子迁移率晶体管为耗尽型高载子迁移率晶体管或常关型高载子迁移率晶体管。

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