CN105281733B - 控制开关对 - Google Patents

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Abstract

提供了控制开关对。提供了设备和方法，其中从第一开关的控制端子提供反馈，并且基于该反馈对第二开关进行控制。

Description

控制开关对
技术领域
本申请涉及与控制开关对相关的装置、设备、方法和系统。
背景技术
在例如的一些电压转换器(如DC/DC转换器)中所使用的半桥电路中，可以对开关对进行控制以执行转换。这样的转换器的示例例如是所谓的降压转换器或降压-升压转换器。例如可以为晶体管的开关可以以在该开关对中的第一开关导通时，该开关对中的第二开关非导通的方式进行控制，反之亦然。换句话说，对于一些应用而言，必须确保该开关对中的两个开关绝不会在同时导通。
例如，在一些情况下，如果第一和第二开关同时导通，则会导致短路条件。
因此，在常规系统中，在第一和第二开关之一断开(即，变为非导通)之后，在第一和第二开关中的另一个闭合(即，变为导通)之前有一段时间。该时间也被称作死区并且形成了一种安全裕度。然而，大的死区限制了其中采用开关的转换器的可控性，或者由于其它原因(例如，如果期望快速开关)而是不期望看到的。
附图说明
图1是根据一个实施例的设备的框图。
图2是图示出半桥电路的示意性电路图。
图3是图示出出图2的电路中的信号的示图。
图4是图示出根据一个实施例的设备的电路图。
图5是图示出根据一个实施例的设备的电路图。
图6是图示出根据一个实施例的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对各个实施例进行详细描述。这些实施例仅作为示例给出而并非被理解为对本申请的范围进行限制。
例如，虽然实施例可以被描述为包括多个特征或部件，但是在其它实施例中，这些特征或部件中的一些可以被省略和/或被可替换的特征或部件所替代。在又其它的实施例中，除此之外或可替换地，可能提供独立于明确描述的另外的特征或部件。
除非另外提及，来自不同实施例的特征或部件可以互相组合。
在以下实施例中，除非以其它方式明确指出，否则元件、模块或设备之间的连接或耦合可以是直接连接或耦合，即没有中间部件的连接或耦合，或者可以是间接连接或耦合，即具有一个或多个中间部件的连接或耦合，只要该连接或耦合的例如传送某些类型的信号或信息之类的总体功能基本上得以保持。连接或耦合可以是基于连线的连接或耦合或者无线的连接或耦合。
以下的一些实施例使用了开关。开关可以被描述为具有两个负载端子和一个控制端子。开关的状态例如可以断开或闭合，并且其状态可以由应用于控制端子的信号所控制。在闭合状态(有时被称作导通状态)，开关可以在其负载端子之间导通，即在其负载端子之间具有低欧姆的电阻，并且在断开状态(有时也被称作关断状态)，该开关可以是非导通的，即在其负载端子之间具有高欧姆的电阻。应当注意到的是，在一些实施方式中，在断开状态仍然可能流过非常小的电流，例如意外的泄漏电流。
在一些实施例中，开关可以使用晶体管来实施，例如双极晶体管、场效应晶体管，或者在某些方面作为双极和场效应晶体管的混合形式的绝缘栅双极晶体管。例如，在这种情况下，栅极端子或基极端子可以对应于开关的控制端子，而源极和漏极端子或者发射极和集电极端子则可以对应于负载端子。
在一些实施例中，可以对开关对中的第一开关的控制输入处的控制信号进行监视，并且可以基于该监视对该开关对中的第二开关进行控制。在一些实施例中，该控制输入处的控制信号可以是电压信号，并且该第二开关的控制例如可以包括仅在第一开关的控制输入处的电压经过指示第一开关断开的预定阈值的情况下闭合该开关。在一些实施例中，以这种方式，断开第一开关和闭合第二开关之间的死区可以有所减少。
现在转向附图，在图1中示出了根据一个实施例的设备的框图。图1的设备例如在端子13、14处接收输入电压Vin，并且在端子15和16之间输出电压Vout。在一些实施例中，图1的设备可以用作对输入进行转换的电压转换器。然而，以下关于开关10、11所讨论的技术也可以应用于电压转换器以外的其它设备。
如所图示的，图1的设备包括第一开关10和第二开关11，它们由在图1所示的实施例中由控制器12进行控制。第一开关10的第一负载端子耦合至端子13。第一开关10的第二负载端子与第二开关11的第一负载端子相耦合。第二开关11的第二负载端子与端子14和16相耦合。第一开关10和第二开关11之间的节点17与端子15相耦合。
如箭头18所指示的，开关10的开关由控制器12经由第一开关10的控制端子进行控制。如箭头21所指示的，第二开关11的开关由控制器12经由第二开关11的控制端子进行控制。在一些实施例中，开关10、11可以使用晶体管来实施。在其它实施例中，开关10、11例如可以包括晶体管和二极管的组合。通常，所描述并且利用本公开的技术进行控制的开关并非必然被局限于任何特定类型。所描述并且利用本公开的技术进行控制的开关包括以硅(Si)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)和/或其它材料所形成。该开关可以是常开类型的开关或者是常关类型的开关。作为更为具体的示例，该开关可以包括GaN高电子迁移率晶体管、基于N型MOSFET的开关设备、基于P型MOSFET的开关设备、绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关设备、双极晶体管开关设备和/或漏极延伸MOS(deMOS)开关设备。此外，该开关可以包括任意其它类型的功率开关晶体管或者能够在CMOS类型裸片处以功率级配置进行操作的开关设备。
在一个实施例中，控制器12对第一开关10和第二开关11进行控制而使得开关10、11可以以交替方式闭合和断开，同时防止第一开关10和第二开关11同时闭合，后者将会使得电路端子13和14发生短路。为了有助于此，如虚线箭头19所示，控制器12接收有关第一开关10的控制端子处的信号的反馈信息，例如第一开关10的控制端子处的信号电平。同样，如虚线箭头20所示，控制器12接收有关第二开关11的控制端子处的信号的信息，例如第二开关11的控制端子处的信号电平。换句话说，如虚线箭头19、20所指示的，控制器12接收有关出现在控制端子的实际信号的信息，例如信号电平，这例如是因为充电效果与控制器12所发送的相对应信号相比可能有所延迟。
在一个实施例中，控制器12例如只要第一开关10的控制端子处的信号指示第一开关被闭合就可以马上断开第二开关11，反之亦然。在一些实施例中，通过直接评估有关控制端子处的信号(例如信号电平)的反馈信息，可以减少死区。换句话说，在一些实施例中，例如向第一开关10发送闭合第一开关10的信号与向第二开关11发送断开第二开关11的信号之间的时间在一些情况下可以有所减少。
在图2中，图示了一种电源转换器，其中可以实施这里所公开的例如参考图1所解释的控制开关的技术。如所示出的，图2的电压转换器包括具有耦合在其负载端子之间的第一二极管22的第一晶体管21，以及具有耦合在其负载端子之间的第二二极管24的第二晶体管23。二极管22、24分别可以是IGBT 21、23的固有二极管，或者可以是除了晶体管21、23之外所提供的二极管。在所示出的示例中，晶体管21、23是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在其它实施例中，可以使用其它类型的晶体管。输入电压Vin被应用于第一晶体管21的集电极端子和第二晶体管23的发射极端子之间。输出电压Vout在第二晶体管23的发射极端子和与第一晶体管21的发射极端子和第二晶体管23的集电极端子相耦合的节点之间进行接取。在图2中，流向第一晶体管21的电流被标记为iT1，流向第二晶体管23的集电极端子的电流被标记为iT2，并且来自以上所提到的节点的输出电流被标记为iL。
控制器20经由第一电阻器25向第一晶体管21应用控制电压，并且经由电阻器26向第二晶体管23的栅极端子应用控制电压。如示意性指示的，晶体管21和23可以以交替方式被闭合，即切换至集电极和发射极之间的导通状态，而使得在每个时间点最多只有晶体管21、23中的一个被导通。为了减少死区，可以采用参考图1所讨论的技术。例如，控制器20所进行的控制可以基于晶体管21、23的栅极电压的测量来执行。
应当注意的是，图2的电路可以包括另外的部件，诸如滤波器部件或存储部件，以在一些实施例中出现寄生效应时使得其有所减少。
在图3中，示出了图2的电路的示例信号。这些示例信号仅出于进一步说明的目的而给出，并且根据实施方式，该信号可以具有其它形式。在图3中，虚线信号一般是指与第二晶体管23相关的信号，而实线则涉及到有关第一晶体管21的信号。
曲线33图示出了控制器20向第一晶体管21的栅极端子所发送的控制电压VCtrl，而曲线34则图示了被发送至第二晶体管23的栅极端子的相对应的控制电压。控制电压的脉冲持续时间被标记为tp。脉冲持续时间之间的比率可以确定输出电压Vout例如相对于输入电压Vin的幅值。TDT图示了死区，其在应用参考图1所公开的技术的一些实施例中可以有所减少。
曲线34图示了第一晶体管21的Vgexx(xx表示晶体管21或23)的栅极-发射极电压，而曲线30则图示了第二晶体管23的栅极发射极电压。如所能够看到的，栅极发射极电压与控制信号相比有所滞后。例如，在脉冲33的上升沿和根据曲线34达到足以接通晶体管21(即闭合晶体管21所表示的开关)的电平的栅极发射极电压之间存在时间差td(on)，并且在脉冲33的下降沿和下降足够多以便关断晶体管21(即断开该开关)的栅极发射极电压Vgexx之间存在时间差td(off)。曲线31示出了第一晶体管21的集电极发射极电压VCE，而曲线32则示出了第二晶体管23的集电极发射极电压。曲线36针对所示出的示例信号而图示了图2的iT1的特性，而曲线37则针对所示出的示例信号图示了iT2的特性。
在一些实施例中，通过采用如参考图1所讨论的技术，例如通过监视图2的电路中的栅极发射极电压，例如可以通过在曲线34已经达到指示第一晶体管21被关断的阈值之后立即开始脉冲35而使得死区TDT有所减少。在其它实施例中，可以采用其它技术。
在图4中，图示了根据另外实施例的设备。图4的设备包括两个开关设备40、41。在图4的实施例中，每个开关设备包括一个IGBT以及耦合在该IGBT的源极和漏极端子之间的二极管。同样，这样的二极管可以是固有二极管或另外提供的二极管。
开关设备40的IGBT的集电极端子耦合至电压VDC+，并且第二开关设备41的IGBT的发射极端子与接地端(GND)相耦合。VDC+和GND之间的差值可以对应于图4的设备的输入电压。输出电压例如可以在位于开关设备40、41之间的节点412和GND之间进行接取。
开关设备40可以被称作高侧开关设备，而开关设备41则可以被称作低侧开关设备。开关设备40由高侧驱动器42基于高侧驱动器输入IN HS进行控制。通过高侧驱动器42经由晶体管410输出至开关设备40的IGBT的栅极端子的信号在图4中被标记为OutH。
以类似方式，开关设备41由低侧驱动器43基于低侧输入信号IN LS进行控制。低侧驱动器43的输出信号OutL经由电阻器411而被应用于开关设备41的IGBT的栅极端子。
信号IN HS、IN LS例如可以是预期交替地闭合开关设备40和开关设备41的脉冲信号。
高侧驱动器42和低侧驱动器43可以包括在控制器中并且在一些实施例中可以被实施为单个电路。在高侧驱动器42中，高侧驱动器信号IN HS被馈送至AND门44的第一输入。AND门44的第二输入与低侧驱动器43的比较器47的输出相耦合。AND门44的输出对应于已经提到的控制信号OutH。如所示出的，比较器47的第一输入在开关41和电阻器411之间耦合至开关设备41的IGBT的栅极端子。因此，比较器47接收开关设备41的栅极电压。比较器47的第二输入与基准电压49相耦合，后者由图4中的电池符号所表示。基准电压49可以输出对应于开关设备41的IGBT的阈值电压的基准电压。以这种方式，比较器47可以检测到开关设备49的IGBT的栅极电压何时下降至低于阈值，阈值可以指示开关设备41被关断。在一些实施方式中，这样的阈值例如可以为大约2V，虽然根据开关设备41的实施方式也可以使用其它数值。
通过使用这种具有AND门44的结构，开关设备40仅在信号IN HS指示开关设备40要被闭合并且开关设备41的IGBT的栅极电压指示开关设备41断开的时候才被闭合。
以类似的方式，低侧驱动器43包括AND门45。AND门45的第一输入接收低侧控制信号IN LS。AND门45的第二输入与高侧驱动器42的比较器46的输出相耦合。比较器46的第一输入接收第一开关设备40的IGBT的栅极电压，后者在晶体管410和第一开关设备40之间进行接取。比较器46的第二输入耦合至基准电压48。如针对基准电压49所描述的，基准电压48在开关设备40的IGBT变为非导通的情况下可以对应于栅极电压。例如，该阈值电压可以为2V的量级，虽然根据第一开关设备40的实施方式也可以使用其它数值。
利用该配置，通过使用比较器46和AND门45，信号OutL将第二开关设备41控制为仅在比较器46的输出信号指示开关设备40断开(例如，栅极电压下降足够多而低于阈值电压48)并且信号IN LS指示第二开关设备41要闭合时才闭合。
以这种方式，在图4的实施例中，在一些实施方式中，信号IN HS、IN LS可以被选择为使得开关设备40、41之一将在开关设备40、41中的另一个断开之后立即被闭合。例如，信号IN HS、IN LS之一的下降沿可以对应于信号IN HS、IN LS中另外一个的上升沿，反之亦然。
通过使用图4的实施例中的比较器46、47以及AND门44、45，可以确保实际闭合仅在另外的开关设备确实断开(即栅极电压具有确保另外的开关设备断开的数值)之后才会进行。以这种方式，在一些实施例中，死区可以有所减少。
在一些实施例中，电阻器410、411可以连同开关40、41一起在集成电路中提供。在另外的实施例中，驱动器42、43和/或另外的组件也可以被提供在这样的集成电路中。电阻器410、411在一定程度上将驱动器42、43与开关设备40、41解耦合。在没有提供电阻器410、411或其它解耦合的其它实施例中，栅极电压可以在其它位置进行接取。
图5中图示了另外的设备实施例。在一定程度上，图5的实施例是基于图4的实施例。图5的实施例中的部件已经关于图4进行了描述，具有相同的附图标记并且将不再详细描述。例如，图5的实施例也包括第一和第二开关设备40、41，它们分别经由电阻器410、411进行控制。此外，图5的实施例包括高侧驱动器50和低侧驱动器51，它们也包括已经参考图4进行过讨论的一些部件，例如AND门44、45，比较器46、47以及基准电压48、49。
图5的实施例还包括用于检测通过开关设备40、41的电流方向的电路。例如，当开关设备40、41之一中的电路方向对应于相应开关设备40、41的二极管的正向方向，则该开关设备的相应IGBT可能已经被断开，因为该二极管运载电流。因此，在一个实施例中，开关设备与没有电流检测的情况下相比可以更早断开，在一些实施例中，这进而可以使得能够更早闭合另外的开关设备，这在一些情况下可以进一步减少死区。
为了实现该目的，在图5的实施例中，比较器55的第一输入经由二极管52而与第一开关设备40的IGBT的集电极端子相耦合。比较器55的第一输入还与电流源54相耦合。比较器55的第二输入与基准电压56相耦合，后者在一些实施例中可以大约为0V，但是可以根据相应实施方式而变化。比较器55的输出与AND门57的第一输入相耦合。AND门57的第二输入与AND门44的输出相耦合。在图5的实施例中，AND门57输出控制信号OutH以控制第一开关设备40。经由二极管52和比较器55，获得有关第一开关设备40中的电流方向的信息。当电流方向指示电流经由二极管40流动时(这也可以被称作负电流方向，例如与图2所示的电流iT1相反的方向)，经由AND门57，比较器55断开开关设备40。负电流因此对应于与从VDC+到接地端(GND)的方向相反的电流。该断开可以被比较器46所检测，这可以使得能够更早地闭合开关设备41。
以类似的方式，比较器59的第一输入经由二极管53与第二开关设备41的IGBT的集电极端子相耦合。此外，比较器59的第一输入与电流源58相耦合。
比较器59的第二输入可以与基准电压510相耦合，后者在一些实施例中可以大约为0V，但是基于实施方式其他值也是可能的。
比较器59的输出与AND门511的第一输入相耦合。AND门511的第二输入与AND门45的输出相耦合。控制信号OutL由AND门511的输出所提供。类似于针对第一开关40所描述的，经由二极管53和比较器59，在图5的实施例中，可以检测到通过第二开关设备41的电流何时经由第二开关设备41的二极管流动，即具有负电流方向(例如，与图3中针对电流iT2所指示的相反的方向)。经由AND门511，开关设备41随后可以被断开(即，IGBT可以被断开)，由于电流将仍然经由二极管流动所以这并不影响工作。如已经参考图4所解释的，该断开可以经由比较器47而被检测到，这进而可以使得第一开关设备40能够更早被断开。
应当注意的是，实施例仅作为示例并且可能有其它的实施方式。例如，虽然图示了具有在高侧驱动器50中的两个AND门44、57以及在低侧驱动器51中的两个AND门55、511的逻辑，但是在其它实施例中可以使用其它的逻辑门。例如，也可以使用具有三个输入的AND门。
而且，不同于IGBT，根据实施方式的电流可以使用其它类型的晶体管，如场效应晶体管或双极晶体管。也可以采用对于本领域技术人员显而易见的其它修改而并不背离本发明的范围。
在图6中图示了流程图，其图示了根据实施例的方法。图6的方法可以在参考图1至5所图示并解释的设备中实施，但是也可以在例如其它类型的电压转换器的其它设备中实施。
虽然图6的方法被图示为一系列动作或事件，但是这些动作或事件被给出的顺序并不被理解为限制，因为其它实施例可以使用其它的顺序，或者各种动作或事件例如可以由电路的不同部分并行执行。该方法也可以被反复或连续执行。
在图6中的60处，从第一开关的控制端子提供反馈，其指示在第一开关的控制端子处出现的信号，例如电压水平。
在61处，基于该反馈控制第二开关。例如，第二开关仅可以在该反馈指示第一开关被断开的情况下才被闭合。应当注意的是，除此之外或可替换地，图6的方法也可以在第一和第二开关被反转的情况下得以应用。
在其它实施例中，可以采用其它方法。

Claims (10)

1.一种用于开关对的设备，包括：
第一开关，所述第一开关包括第一控制端子、第一负载端子、第二负载端子、第一晶体管以及耦合在所述第一晶体管的负载端子之间的第一二极管；
第二开关，所述第二开关包括第二控制端子、第三负载端子、第四负载端子、第二晶体管以及耦合在所述第二晶体管的负载端子之间的第二二极管；以及
控制器，其中所述控制器被适配为：
接收与所述第一控制端子处的第一端子信号有关的第一反馈；
基于所述第一反馈向所述第二控制端子输出第一控制信号；以及
检测电流何时流动经由所述第一二极管，并且在所述电流流动经由所述第一二极管时断开所述第一开关。
2.根据权利要求1所述的设备，其中为了检测所述电流是否流动经由所述第一二极管，所述控制器包括另一比较器，所述另一比较器的第一输入与所述第一开关的所述第一负载端子相耦合，其中所述另一比较器的第二输入耦合至第一基准信号，其中所述控制器被进一步适配为基于所述另一比较器的输出而断开所述第一开关。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述另一比较器的所述第一输入经由另一二极管耦合至所述第一开关的所述第一负载端子。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述另一比较器的所述第一输入与电流源相耦合。
5.根据权利要求2所述的设备，其中所述控制器包括比较器，其中所述比较器的第一输入与所述第二控制端子相耦合以接收第二反馈，其中所述比较器的第二输入与第二基准信号相耦合。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述控制器进一步包括至少一个AND门，所述至少一个AND门的第一输入与所述比较器的输出耦合，所述至少一个AND门的第二输入与所述另一比较器的输出耦合，并且所述至少一个AND门的第三输入被适配为接收第一输入信号，并且所述AND门的输出与所述第一控制端子耦合。
7.一种用于开关对的方法，包括：
由控制器接收关于第一开关的控制端子处的第一端子信号的反馈，
由所述控制器基于所述反馈控制第二开关，其中控制所述第二开关包括基于所述反馈向所述第二开关的控制端子输出控制信号，以及
由所述控制器检测电流何时流动经由耦合在所述第一开关的负载端子之间的第一二极管，并且在所述电流流动经由所述第一二极管时断开所述第一开关，
其中所述控制器被适配为，仅在所述反馈指示所述第一开关断开的情况下才转发作为第二控制信号的第二输入信号，以闭合所述第二开关。
8.根据权利要求7所述的方法，其中接收所述反馈包括检测所述第一开关的所述控制端子处的信号电平。
9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括由所述控制器从所述第二开关的控制端子接收另一反馈，并且由所述控制器基于所述另一反馈控制所述第一开关。
10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括控制所述第一开关并且控制所述第二开关以将第一电压转换为第二电压。
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