CN106357096A - 操作开关晶体管的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及操作开关晶体管的系统和方法。根据一个实施例，一种操作开关晶体管的方法，包括：通过将电荷从开关晶体管的栅漏电容传递到电荷储存器件来关断所述开关晶体管，以及通过将电荷从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极来接通所述开关晶体管。关断所述开关晶体管包括硬开关，而接通所述开关晶体管包括软开关。

Description

操作开关晶体管的系统和方法
技术领域
本发明一般地涉及电子器件，且更具体而言，涉及用于操作开关晶体管的系统和方法。
背景技术
包括开关模式电源和电机控制器的开关模式电路在从计算机到汽车的许多电子应用中是普遍的。一般来说，通过操作耦合到电感器或变压器的开关来执行DC-DC、DC-AC和/或AC-DC转换，以产生在开关模式电源系统内的电压。开关模式电源通常比其他类型的功率转换系统更有效，因为通过对诸如电感器或变压器的低损耗部件进行受控充电和放电来执行功率转换，由此减少了由于跨阻性电压降的功率消耗造成的能量损失。类似地，可以使用开关模式电机控制器在驱动电路中的低损耗的情况下有效地对DC无刷电机进行整流。
关于实施开关模式电路，使用定制驱动电路来有效地驱动耦合到各种磁部件的开关晶体管。这种电路可以被配置成在合适的速度和电压电平处提供开关信号。例如，可以通过使用外部DC供给电压、电压调节器、电平移位器、电荷泵以及其它电路来建立这些电压电平，以保证开关晶体管接通和关断。每次驱动电路通过一个开关周期来驱动开关晶体管时，由于开关晶体管的输入电容的充电和放电，可能会消耗功率。
发明内容
根据一个实施例，一种操作开关晶体管的方法，包括：通过将电荷从开关晶体管的栅漏电容传递到电荷储存器件来关断所述开关晶体管，以及，通过将电荷从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极来接通所述开关晶体管。关断所述开关晶体管包括硬开关，而接通所述开关晶体管包括软开关。
附图说明
为了更透彻地理解本发明及其优点，现在参照以下结合附图作出的描述，在附图中：
图1示出了示例性反激(fly back)变换器的框图；
图2a-2c示出了一个实施例的开关晶体管驱动系统的示意图及相关联的波形图；
图3示出了另一个实施例的开关晶体管驱动系统的示意图；
图4示出了另一个实施例的开关晶体管驱动系统的示意图；
图5a和图5b分别示出了又一个实施例的开关晶体管驱动系统的示意图和相关联的波形图；
图6a和图6b分别示出了又一个实施例的开关晶体管驱动系统的示意图和相关联的波形图；
图7a、图7b和图7c示出了利用开关晶体管驱动系统的又一个系统；以及
图8示出了一个实施例的方法的流程图。
在不同附图中相应的附图标记和符号表示相应的部件，除非另有明显解释。绘制附图是为了清晰示出优选实施例的相关方面而没有必要按比例绘制。为了清晰示出某些实施例，表示相同结构、材料或工艺步骤的变化的字母可以跟随着附图标号。
具体实施方式
下面详细讨论本优选实施例的制作和使用。然而，应理解本发明提供了许多可用的创造性构思，可以在较大范围的应用场景中实现。所讨论的特定实施例仅仅是用以制作和使用本发明的特定方法的示例，且不能限制本发明的范围。
在具体场景中将参考优选实施例来描述本发明，即用于驱动开关MOSFET以及从开关MOSFET提取能量用于进一步重复使用的系统和方法。本发明的实施例还可以应用于利用开关晶体管的各种系统，诸如开关模式电源(SMPS)和各种H桥驱动器。实施例还可以涉及驱动容性栅控器件，诸如超结MOSFET、IGBT、氮化镓(GaN)MOSFET栅极注入晶体管、GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。
在本发明的实施例中，用来驱动开关晶体管的栅极或控制节点的能量取自开关晶体管本身的栅漏电容。因而，可以从对开关晶体管的充电和放电中获取而不是从栅极驱动器的本地电源供给的功率中获取在标称操作期间的用来驱动开关晶体管的栅极的全部能量或部分能量，或者是从栅极驱动器的本地电源供给的功率外加对开关晶体管的充电和放电中获取在标称操作期间的用来驱动开关晶体管的栅极的全部能量或部分能量。
在实施例的栅极驱动器的操作期间，在开关晶体管被关断时，进入开关晶体管的栅源电容和/或栅漏电容的电荷被储存。随着开关晶体管的栅极被拉低且开关晶体管的漏极电压增加，从开关晶体管的栅源电容和/或栅漏电容流出的电流被用来将耦合到开关晶体管的栅极的电感器磁化。储存在电感器中的该能量可以被传递到电容器或其它能量储存器件中。当开关晶体管被再次接通时，储存在电容器或者其它能量储存器件中的能量被用来对开关晶体管的栅极充电以便将开关晶体管接通。当使用零电压或者谷值开关方案时，即当漏极电压为零或低电压时开关晶体管被接通时，当开关晶体管被关断时获取的能量的量可以超过对开关晶体管的栅源电容进行充电以将其接通所需的能量的量。因而，该所获取的能量可以用来对栅极驱动器本身和/或其它电路进行供电。
在本发明的实施例中，谐振栅极驱动器电路被配置成从开关晶体管(典型为MOSFET)中提取能量。然而，该方法可以应用于任何容性栅控器件。在开关晶体管的关断事件期间，能量被跨栅漏电容器而储存，同时漏极节点被充电。在关断事件期间，通过经由第一开关将其连接到电感器，栅极电压被放电。激励的电感器将其能量传递到其耦合的储存电容器。第一开关在谐振周期的一半之后被关断，以允许传递能量至储存电容器。当栅极电压被放电时，储存电容器经由第一开关与开关晶体管的栅极隔离，直到下一个接通事件的时间。直到下一个接通事件发生，连接在栅极和开关晶体管的参考端子之间的第二开关被激活，且保持将跨栅极的剩余电荷放电至参考端子。在接通事件期间，第二开关被关断且第一开关被接通。储存在储存电容器中的所获取的能量经由电感器被传递以对开关晶体管的栅极充电。传递跨由电感器和储存电容器与栅源电容器的组合所形成的LC谐振回路的能量所需的时间量通过回路的谐振周期来控制。第一开关在LC谐振回路的谐振周期的一半之后被关断。耦合在驱动器电源和开关晶体管的栅极节点之间的第三开关被接通，以补充在传递期间的能量损失并将栅极拉到驱动器电源。
图1示出了包括耦合到变压器106的初级绕组接地处的开关晶体管M的反激变换器100的框图。在操作期间，开关晶体管M经由开关驱动器102被接通和关断，且对变压器106的初级绕组加磁。当开关晶体管M被关断时，变压器106的次级绕组中感应的电流对电容器C充电并经由整流二极管D将功率提供到由负载阻抗ZL表示的负载。控制器104将脉冲宽度调制信号提供到开关驱动器102，且可以用来控制反激变换器100的输出电压和/或输出电流。在将开关晶体管M接通和关断的过程中，每当开关晶体管M的栅极被充电时，功率从开关驱动器102传递出来。因此，在一些常规开关驱动器中，开关驱动器102消耗的总功率与开关频率以及晶体管M的栅极电容成比例。在一些实施例中，反激变换器100包括隔离耦合器105，隔离耦合器105基于反激变换器100的输出电压和/或输出电流将反馈信号提供给控制器104。在不同实施例中，隔离耦合器105可以利用光电耦合器、磁变压器、容性耦合电路或本领域中已知的其它隔离耦合器电路来实现。
图2a示出了一个实施例的栅极驱动系统200，其包括耦合在开关晶体管M0的栅极和电容器Cin之间的谐振栅极驱动器电路210。如所示，谐振栅极驱动器电路210被实施为H桥电路，具有跨H桥电路耦合的开关M1、M2、M3和M4以及电感器Lr。耦合到开关晶体管M0的电容器CGD、CGS和CDS分别表示开关晶体管M0的寄生栅漏电容、栅源电容和漏源电容。如所示，开关M1、M2、M3和M4使用NMOS晶体管来实现。可替选地，开关M1、M2、M3和M4可以利用其它晶体管类型或其它开关结构来实现。
在操作期间，当开关晶体管M0利用硬开关拓扑被关断时，能量从开关晶体管M0的栅漏电容CGD被获取且被储存在电容器Cin中；当开关晶体管M0被接通时，能量从电容器Cin被传递到开关晶体管M0的栅极。在一些实施例中，能量也可以取自栅源电容CGS。
可以使用不同类型的开关拓扑来在开关模式电源系统中将开关晶体管驱动为接通或关断。这些拓扑中的两种包括硬开关和软开关。在硬开关接通事件期间，至少等于电源电压的电压被跨晶体管而施加且电流通过晶体管而增加。电压和电流的重叠在硬开关接通期间造成功率损耗。在硬开关关断期间，通过晶体管的电流降低，且跨晶体管输出的电压增加。在关断期间的电压和电流的类似重叠造成开关功率损耗。除了开关损耗以外，硬开关拓扑与由高dv/dt和di/dt以及器件应力造成的电磁干扰(EMI)相关联。
软开关拓扑用来改善在硬开关中发现的一些问题。软开关涉及在输出电压或电流达到零值之后对晶体管的开关。软开关可以在晶体管的接通或关断期间利用零电压开关(ZVS)拓扑或零电流开关(ZCS)拓扑来实现。零电压开关用来减少在接通期间的开关损耗，其中在晶体管的输出电压达到最小值或零值之后施加栅极电压。在关断期间使用零电流开关，且在晶体管的漏电流达到最小值或零值之后对栅极电压放电。
在一个实施例中，通过接通晶体管M4来关断开关晶体管M0，晶体管M4通过电感器Lr将开关晶体管M0的栅源电容CGS放电。在开关晶体管M0被关断时，漏源电压VDS跨开关晶体管M0而增加并对栅漏电容CGD充电。为了防止栅极电压VGS经由栅漏电容CGD而被上拉，电荷经由电感器Lr而从带电的栅漏电容CGD处被继续拉走，电感器Lr在该放电期间被激励。在一些实施例中，开关M4闭合了谐振周期的四分之一以对栅极电压放电。这个谐振周期基于电感器Lr与开关晶体管M0的栅极电容的乘积，或者是与跨开关晶体管M0的栅极和源极而连接的任意外部电容器的乘积。接着，开关M2和开关M3被闭合，由此允许电感器Lr提供充电电流给电容器Cin，而确保开关晶体管的栅极电压保持在接地。在一些实施例中，开关M3可以保持断开以允许电感器的能量经由开关M3的体二极管被传递到电容器Cin。应理解，当开关保持断开时跨开关M3的体二极管的充电电流可能导致一些功率损耗。
当通过闭合开关M3和断开开关M2来接通开关晶体管M0时，可以利用储存在电容器Cin中的能量。因而，储存在电容器Cin中的能量经由电感器Lr被传递到开关晶体管M0的栅极，以便对开关晶体管M0的栅极充电。在一些实施例中，在谐振周期的一半之后，开关M3被断开且开关M1被闭合，以允许能量从电容器Cin被传递到栅源电容CGS。当开关晶体管M0被接通时，开关M1也确保开关晶体管的栅极保持在与Cin相同的电压处。
在一些实施例中，与从电容器Cin向开关晶体管M0的栅极传递的能量相比，更多的能量可以从开关晶体管M0的栅漏电容CGD和栅源电容CGS传递到电容器Cin。这种情况可能出现在例如当在接通期间的VDS小于紧在开关晶体管M0关断后产生的VDS时。在一些实施例中，可以使用本领域中已知的谷值开关方案和/或零电压开关方案来满足这种情况。
在其中与从电容器Cin向开关晶体管M0的栅极传递的能量相比、更多的能量从开关晶体管M0的栅漏电容CGD和栅源电容CGS传递到电容器Cin的实施例中，随着电容器从开关晶体管M0的栅漏电容CGD和栅源电容CGS接收电荷，跨电容器Cin的电压继续增加。为了防止跨各个电路部件的电压超过其最大额定电压，使用齐纳二极管216来箝位跨电容器Cin的电压。耦合到供给节点VCC的二极管218在启动期间允许对电容器Cin的预充电。在不同实施例中，齐纳二极管216的齐纳箝位电压大于VCC。在可替选实施例中，可以使用其它已知的箝位电路。
图2还示出了产生用于控制开关M1、M2、M3和M4的信号的开关控制器230。信号S1控制开关M1，信号S2控制开关M2，信号S3控制开关M3，信号S4控制开关M4。变高的控制信号表示开关的接通事件，保持为低的控制信号表示开关的关断事件。开关M3和M4接通的时间量是预定的且基于电感器Lr、栅源电容CGS和电容器Cin的值。在本实施例中，开关通过n沟道MOSFET来实现。可替选地，也可以使用其他类型的晶体管或器件，例如，p沟道MOSFET、BJT或JFET或者依赖于具体实施例和规范的其它器件类型。在这种可替选实施例中，开关控制器230的行为可以被修改以提供合适的信号给各种可替选晶体管类型。
在不同实施例中，经由电感器Lr从电容器Cin传递到栅源电容器CGS的能量被用来接通开关晶体管。通过使栅源电容器CGS被充电由此提高栅源电压，从而将开关晶体管接通。在实施例中，通过调整耦合到开关晶体管的栅极的电感器Lr的值，可以控制开关晶体管的栅源节点的电压变化速率。在开关晶体管的接通事件期间电感器Lr和栅源电容CGS的值的组合控制栅源节点的电压变化速率。
图2b示出了图示在实施例的栅极驱动系统200内的各个信号的波形图，其在水平轴示出了时序信息而在垂直轴示出了电压和电流信息。标为VCin的波形对应于跨电容器Cin的电压，标为VDS的波形对应于跨晶体管M0的漏极和源极的电压，标为VGS的波形对应于晶体管M0的栅源电压，标为ILR的波形对应于流过电感器Lr的电流。图2b中的波形图也描述了在晶体管M0的关断事件期间用于栅极驱动的预充电和未预充电模式的各个电流和电压。在预充电模式驱动中，通过使得开关信号S2和S3重叠而对电感器Lr预充电。在未预充电模式驱动中，在开关信号S2和S3中没有重叠，如晶体管接通事件期间的波形所示。在预充电模式驱动中，电感器中的电流更高且建立了更高的能量。因而，VCGS的充电比未预充电模式驱动更快。
图2b示出了针对预充电驱动情况和未预充电驱动情况二者的开关晶体管M0关断事件期间的各个信号的波形图。预充电的持续时间通过信号S1和S4的重叠来表示。开关晶体管M0初始被接通且栅极电压VGS处于比栅极阈值电压高的电平。通过使信号S1为高来保持VGS为高，表明开关M1闭合。信号S4先变高且经由开关M1、电感器Lr和开关M4提供了用于电感器的预充电路径。在一段时间后当信号S1变低时，停止预充电。通过开关M2的体二极管来供给电感器电流，且VGS成为接地参考以下直到信号S2变高为止。这使开关M2闭合且VGS保持在接地参考。电感器电流经由开关M2、电感器Lr和开关M3再次循环回到Vcin。因而，电压Vcin在这个时间期间增加。用于未预充电驱动的波形示出信号S1和信号S4是非重叠的。当信号S4变高时，电感器电流ILR开始建立，由此使开关M4闭合。开始时由于晶体管接通所以VGS保持为高。当信号S4变高时电压VGS开始放电，且经由电感器Lr放电至接地参考端子。当信号S4变低时开关M4被断开，且当VGS下降到MOSFET的栅极阈值电压以下时VDS开始切换。此后信号S2变高且造成电感器电流经由开关M3的体二极管重新循环回到电容器Cin。
如图2c所示，电感器电流ILR在零开始，信号S2为高，表明开关M2闭合；信号S1、S3和S4分别为低，表明开关M1、M3和M4断开。跨电容器Cin的电压通过VCin来表示且被示出处于10V，在开关晶体管M0的栅极处的电压VGS是约0V，表明开关晶体管M0关断。接着，信号S3变高，由此闭合开关M3。在这个时间期间，开关M2和M3闭合，且该情况对电感器Lr预充电，电流跨电感器而建立，如电流波形ILR所示。由于充电电流正通过电容器Cin提供，电压VCin在这个时间期间显示下降。然后信号S2变低，表明开关M2断开且VGS被充电到VCin。信号S3变低，表明开关M3断开；信号S1变高，表明开关M1闭合。这造成了过量的传感器电流循环回到电容器Cin。这通过短时间降低之后返回高的VCin得以示出。开关M4在这个时间期间保持断开，如由低的信号S4所示。
如图2c所示，具有未预充电驱动情况的波形表明信号S2和S3是非重叠的。信号S2在开始保持为高且表明在开关晶体管M0的栅极处的较低的VGS电压。在一些时间之后，信号S2变低以断开开关M2，信号S3变高以闭合开关M3。这造成电感器被充电，如波形ILR中建立的电流所示。VCin在这个时间期间降低，表明正从电容器Cin获取能量。当信号S3变低且信号S1变高时，电感器电流通过开关M1再次循环。这时，VCin停止降低。与一些实施例中的预充电方法相比，未预充电方法消耗较少的能量。
图3示出另一实施例的开关栅极驱动器系统300，其包括高侧栅极驱动器302和低侧栅极驱动器304。在一些实施例中，低侧栅极驱动器304也可以向以接地作为参考的辅助系统306提供功率。低侧栅极驱动器304类似于图2a所示的开关栅极驱动系统200，且包括储存电容器CLS以储存从开关晶体管M_LS获取的能量。谐振电感器Lr1被用来以与上文参考图2a至图2c描述方式类似的方式来将能量从储存电容器CLS传递到开关晶体管M_LS的栅极。
高侧栅极驱动器302类似于低侧驱动器304，且包括耦合在驱动器电源和开关晶体管M_HS的源极之间的储存电容器CHS。电感器Lr2被用来将能量从储存电容器CHS传递到开关晶体管M_HS的栅极。二极管D_HS用作自举二极管，以将功率提供到高侧栅极驱动器。类似地，可选的二极管D与电源VCC串联连接，以阻止在低侧驱动器中的能量获取期间电流流向电源。
图3所示的实施例的开关栅极驱动器系统300可以用来为利用高侧开关和低侧开关的系统(诸如电源和电机控制器)提供切换。在一些实施例中，辅助电路表示可以通过从低侧晶体管M_LS的栅漏电容CGD_LS获取的能量来被本地供电的电路。这种电路的例子可以包括：例如，支持开关栅极驱动器系统300的其它电路和系统，诸如控制器、偏置电路、PWM发生器等。在一些实施例中，开关栅极驱动器系统300可以用来将功率提供到系统的隔离部分，诸如具有次级侧控制器的开关模式电源的初级侧。
图4示出了又一实施例的开关栅极驱动器系统400，其包括耦合到开关晶体管M0的栅极的栅极驱动器电路401。栅极驱动器电路401的结构类似于图2a所示的栅极驱动器的结构，除了H桥电路和电源VCC之间的接口以外。如图4所示，驱动器电源经由直通开关(passswitch)420耦合到电源VCC。该直通开关420是由比较器418来控制的，比较器418用作电荷储存监视电路且将在电容器Cin处的电压与最小参考电压比较。在一些实施例中，最小参考电压由电阻器416和齐纳二极管414产生。当跨电容器Cin的电压下降到齐纳二极管414设定的电压电平以下时，比较器418接通直通开关420，且跨电容器Cin的电压被拉到电源VCC。在可替选实施例中，可以使用许多不同的方法来产生最小参考电压，诸如使用外部电压源或分压器，或者片上电压参考。在能量提取期间，在获取的能量超过栅极驱动器401消耗的能量时，在电容器Cin处的电压继续增加。因而，与电容器Cin并联耦合的齐纳二极管412被用来箝位跨电容器Cin的电压，使得跨齐纳二极管412消耗额外的能量。
图5a示出了另一实施例的开关栅极驱动器系统500，其被配置成利用谐振电感器Lr以及储存电容器CS与栅源电容器CGS的组合来驱动开关晶体管M0的栅极。谐振电感器Lr经由开关Ms3耦合到开关晶体管M0的栅极，以及当开关Ms3闭合时耦合到储存电容器CS来形成谐振LC回路。如所示，栅极驱动器系统500包括开关Ms1，开关Ms1用来将开关晶体管M0的栅极拉至驱动器电源电压VCC，以接通开关晶体管M0。其还包括开关Ms2，以将开关晶体管M0的栅极拉至参考电压，以关断开关晶体管M0。在一些实施例中，通过选择性激活和去激活LC回路的谐振条件，开关晶体管M0的栅极可以被拉高或拉低，以将其接通或关断。在不同实施例中，谐振电感器Lr可以利用分离的和/或集成的电感器来实现，储存电容器CS可以利用分离的和/或集成的电容器来实现。在又一实施例中，额外的电容可以与开关晶体管M0的栅源电容CGS并联耦合。
在实施例中，开关Ms3利用n沟道MOSFET M3a和M3b的串联组合来实现，n沟道MOSFET M3a和M3b的体二极管在相反的方向上相对。开关Ms1、Ms2和Ms3利用n沟道MOSFET来实现。可替选地，可以使用其它类型的晶体管或器件，例如p沟道MOSFET、BJT或JFET或根据具体实施例和其规范的其它器件类型。
如图5a所示，开关信号发生器520产生了分别驱动开关Ms1、Ms2和Ms3的开关信号S1、S2和S3。S1的高电平信号表明开关Ms1的闭合，S1的低电平信号表明开关Ms1的断开。这也适用于分别控制开关Ms2和Ms3的信号S2和S3。可替选地，开关信号S1、S2和S3例如在利用H桥开关晶体管的p沟道MOSFET的实施例中可以被激活为低。
首先，通过闭合开关Ms1同时开关Ms2和开关Ms3保持断开来接通开关晶体管M0。开关Ms1将开关晶体管M0的栅极电压拉至驱动器电源VCC，由此将其接通。
接着，通过断开开关Ms1和闭合开关Ms3以激活由电感器Lr与储存电容器CS和在开关晶体管M0的栅极处见到的电容的组合所形成的LC回路，由此关断开关晶体管M0。通过经由电感器Lr和开关Ms3将能量从开关晶体管M0的输入电容传递到储存电容器CS，获取在开关晶体管M0的关断期间储存在栅源电容CGS和栅漏电容CGD中的能量。在一些实施例中，开关Ms3接通了谐振LC回路的一半的谐振周期，所述谐振LC回路由电感器Lr和在开关晶体管M0的栅极处的电容形成。在这个周期期间，能量被传递，且在开关Ms3断开时传递停止。在这个周期之后，通过闭合开关Ms2来进一步对开关晶体管M0的栅极电压放电。
为了接通开关晶体管M0，开关Ms3再次被接通以将电荷从储存电容器CS传递到开关晶体管M0的栅极。在一半的谐振周期之后，开关Ms3断开，且开关Ms1闭合，以提供额外的电荷来将开关晶体管M0的栅极拉至驱动器电源Vcc。由于开关晶体管M0被接通，重复利用了储存在储存电容器CS中的且在关断期间从栅漏电容CGD提取的能量。
在实施例中，通过在小于晶体管的最终设置电压的电压处接通开关晶体管M0，例如使用谷值开关和/或零电压开关(ZVS)，可以获取净正能量。在一些实施例中，通过确保开关晶体管M0的漏极节点低于特定电压和/或当晶体管M0接通时达到本地最小值，来执行ZVS和/或谷值开关。在其它实施例中，开关晶体管M0在跨开关晶体管M0的输出的电压低于预定阈值之后被接通。
在另一实施例中，在ZVS和/或谷值开关情况下接通开关晶体管，在开关晶体管M0关断时可以有足够的储存在储存电容器CS中的过量能量，该过量能量可以用来给驱动器系统的其它部分供电。在储存电容器在接通期间传递其提取的能量之后，当CGS的电压高于VCC和用来实现开关Ms1的晶体管的体二极管的正向电压之和时，可以出现这种情况。在这种情况下，过量能量传递到耦合到VCC的能量储存部(未示出)。在一些实施例中，在开关驱动器的栅极的第一次充电完成后，开关栅极驱动器系统500可以不需要它自己的电源。
图5b示出了图示在实施例的开关栅极驱动系统500内的各个信号的波形图，其在水平轴示出了时序信息而在垂直轴示出了电压和电流信息。标为VS1、VS2和VS3的波形对应于分别用于开关Ms1、Ms2和Ms3的开关控制信号，标为IS1的波形对应于流过开关Ms1的电流，标为ILR的波形对应于流过电感器Lr的电流，标为ICGS的波形对应于流过开关晶体管M0的栅漏电容的电流，标为VCGS的波形对应于晶体管M0的栅极的电压，VCS对应于跨储存电容器CS的电压。
如图5b所示，假设在时间t0之前，通过使栅极电压被拉到驱动器电源Vcc，来完全接通开关晶体管M0。在时间t0，开关Ms3被闭合，且由于栅源电容CGS、电感器Lr和储存电容器CS造成的谐振条件被建立。这通过对电感器Lr充电而启动从栅源电容CGS向储存电容器CS的能量传递。开关Ms3闭合了一半的谐振周期，使得电感器Lr磁化，如图5b所示。时间t0和t1之间的时段根据以下等式通过开关晶体管M0的栅源电容CGS、储存电容器CS和电感器Lr的值来确定：
t 1 - t 0 = 2 π L R 1 ( 1 C S + 1 C G S ) 2 - - - 1 ,
其中，LR是电感器、CS是储存电容器，且CGS是开关晶体管M0的栅源电容。
在时间t1，开关Ms3断开，开关Ms2闭合，且VCGS被拉到参考电压V0。在一些实施例中，选择t1和t2之间的时间以确保栅极电压被放电到例如可以是接地的参考电压V0。在波形图中通过电流ICGS来示出该放电。开关Ms2在时间t2被断开，其隔离了储存在储存电容器CS中的能量。当到了接通开关晶体管M0的时候，所有的开关都保持断开直到时间t3为止。在时间t3，开关Ms3闭合且再次形成谐振电路，由此通过对电感器Lr充电来启动从储存电容器CS到栅源电容CGS的能量传递。开关保持闭合，直到时间t4为止，以确保储存电容器CS和开关晶体管M0的栅极之间的能量传递。在一些实施例中，从t3到t4的时间是一半的谐振周期，如等式1所描述的那样。在波形ILR中，在电感器Lr中建立的谐振电流被示出为正的半正弦波。在从t3到t4的时段期间，跨储存电容器CS的电压从VH2的较高值被放电到VL2的较低值，且跨栅源电容CGS的电压从参考电压V0增加到更高的值VH。
在一些实施例中，由于在能量传递过程期间的能量损失，栅源电容CGS的电压没有完全增加到Vcc。在时间t4，开关Ms3被断开，且开关Ms1被闭合，栅极电压VCGS经由开关Ms1从VH拉到Vcc。t4和t5之间的时间可以足够长，使得将VCGS完全从VH充电到VCC。t4和t5之间的时段是从Vcc使用能量的时间。当VH非常接近Vcc时，该能量非常小。在电流IS1和ICGS中的正尖峰是从Vcc使用的能量的指示。开关Ms1在时间t5之后断开，然而，在一些实施例中，该开关可以保持接通较长的时段，以避免开关晶体管M0的意外关断。在开关Ms3闭合时，重复这个循环以从开关晶体管M0的栅源电容CGS和栅漏电容CGS处传递能量。
图6a示出了另一实施例的系统600，系统600包括栅极驱动器602，栅极驱动器602被配置成在共享公共参考电压源的两个开关晶体管M1和M2之间交替地进行驱动。在一个实施例中，电感器Lr分别经由独立的开关SB和SA耦合到M1和M2的栅极控制节点。系统600还包括耦合在电源VCC和M1的栅极控制节点之间的栅极上拉开关S1以及耦合在M1的控制节点和参考电压源之间的栅极下拉开关S2。开关S3用来上拉开关晶体管M2的栅极，开关S4用来下拉开关晶体管M2的栅极。电感器Lr具有连接到其相反端的两个电容器CS1和CS2。这两个电容器CS1和CS2可以分别通过两个独立的开关SD和SC而连接到参考电源或与参考电源断开连接。电容CGD1表示晶体管M1的栅极和漏极之间的寄生电容器，电容CGS1表示晶体管M1的栅极和源极之间的寄生电容器。类似地，电容器CGD2表示开关晶体管M2的栅极和漏极之间的寄生电容器，电容器CGS2表示开关晶体管M2的栅极和源极之间的寄生电容器。
在操作期间，系统600经由电感器Lr和一系列的开关将电荷在晶体管M1和M2的栅极之间来回传递。这是通过激励电感器Lr和将能量储存在连接在电感器Lr的每一端处的两个电容器CS1和CS2中的一个上而实现的。开关SA和SB控制能量传递的方向：传递到两个开关晶体管M1和M2的栅极以及从两个开关晶体管M1和M2的栅极传递出来。开关SC和SD分别控制在电容器CS1和CS2中的能量储存。开关SC和SD分别连接到电容器CS2和CS1的底板，以选择在其中储存能量的相应电容器。开关S2和S4分别连接到栅极开关晶体管M1和M2，且用来通过谐振动作来确保能量传递之后留下的任意残留电荷的放电。开关SA和SB在一个方向上耦合到电感器Lr，使得它们的体二极管在开关晶体管M1和M2中的一个被关断而另一个被接通时防止电感器Lr被激励。换句话说，防止存储的能量在栅极开关期间从储存电容器中无意被耗尽。
图6a也示出了实施例的开关控制器604，其可以用来产生控制信号，所述控制信号用来驱动用于实施例的系统600的开关SA、SB、SC、SD、S1、S2、S3和S4。如所示，信号VS1控制开关S1的栅极控制节点，信号VS2控制开关S2，信号VS3控制开关S3，信号VS4控制开关S4，信号VSA控制开关SA，信号VSB控制开关SB，信号VSC控制开关SC，信号VSD控制开关SD。来自开关控制器604的高开关控制信号表示接通的开关状态，且低开关控制信号表示关断的开关状态。
图6b示出了图示出实施例的系统600内的各个信号的波形图。在水平轴示出了时序信息，在垂直轴示出了电压和电流。在时间t0之前，假设所有的开关都被关断，且通过使开关晶体管M1的栅极电压VCGS1处于电源电压Vcc而将其接通。在时间t0，信号VSB和VSC变高，由此接通开关SB和SC。开关SC将电容器CS2的底板连接到开关晶体管M1和M2公用的参考电源电压。开关SB的接通创建了由电感器Lr、电容器CS2和电容器CGS1形成的谐振LC回路。然后来自电容器CGS1的能量经由电感器Lr被传递到电容器CS2。开关SB和SC在一半的谐振周期中保持接通。电感器中的谐振电流ILR被示出波形符合负的半正弦波。在开关晶体管M1的栅极端子处的电压VCGS1被放电，且从VH的较高值达到了VL的较低值。同时，在储存电容器CS1处的电压(在波形中被标为VCS1)开始建立。在时间t1，开关SB在时间t1被关断以停止将能量传递回电容器CGS1的谐振电流，且开关SD和S2被接通。开关S2接通以将栅极电压VCGS1从其较低值VL放电至参考电压。开关S2保持接通直到时间t2为止。可替选地，开关S2可以保持接通直到时间t10为止，以便确保VCGS1保持关断。
如图6b所示，当开关SD接通时，开关SD将电容器CS1的底板连接到参考电压端子，使得LC谐振回路形成在电感器Lr、电容器CS1和电容器CS2之间。开关SC和SD保持接通了一半的谐振周期，以将储存在电容器CS2中的要传递的能量传递到电容器CS1。当开关SC和SD关断时，传递在时间t3结束。在时间t3和t4之间，所有的开关都关断且电容器CS1储存了所有的能量。通过开关晶体管M1和M2的死区时间要求或者具体的变换器要求来控制时间t3和t4之间的时间间隔。在时间t4，开关SA和SD接通，由此将电感器Lr耦合到开关晶体管M2的栅极控制节点且将电容器CS1的底板连接到参考端子。由此，使用部件CS1、Lr和CGS2形成了谐振条件。
如ILR中的半正弦波电流所示，发生了从电容器CS1至电容器CGS2的电荷传递。开关SA接通以允许电感器电流在其关断时在时间t5衰退至零。t4和t5之间的时段是一半的谐振周期，且栅极电压VCGS2从V0的低值上升到VH的高值。同时，在电容器CS1处的电压从VH2的高值进行到VL2的低值。在电容器CGS2处的电压从其最低值V0达到高值VH。开关S3在t5接通以将VCGS2拉到VCC，且可以在t5和t6之间的时间间隔内保持接通，或者开关S3可以保持接通直到时间t7为止，这取决于开关晶体管M1和M2的激活之间的死区时间或者根据系统的特定要求。
如图6b所示，在间隔t6和t7期间所有的开关被关断。在时间t7，从电容器CGS2到电容器CS1开始能量传递。这通过接通开关SA和SD来完成。开关SD的激活将电容器CS1的底板耦合到参考端子，开关SA的激活形成了电容器CGS2、电感器Lr和电容器CS1之间的谐振回路。开关SA在一半的谐振周期中保持接通，以允许能量从电容器CGS2传递到电容器CS1，且在时间t8，开关SA被关断。谐振电流ILR通过正半正弦波来示出，且通过电容器CGS2的电流被示出为负的。开关SB和SA分别阻止了CS2和CGS1的充电。在时间t7和t8之间的时段期间，VCGS2从Vcc摆动到低值VL，同时电压VCS1从低值VL2摆动到高值VH2，由此确保了能量从CGS2传递到CS1。在时间t8，开关SA被关断，而开关S4和SC被接通。开关SA防止电荷从电容器CS1传递回电容器CGS2。开关S4将电路电容器CGS2短路到参考端子，以确保VCGS2从其低值VL达到接地电势。通过接通开关SC和关断开关SA和SB，在电容器CS1、电感器Lr和电容器CS2之间形成谐振电路，使得流经ILR的谐振电流将能量从电容器CS1传递到电容器CS2。当能量传递到CS2且电压VCS2达到电压VH2时，能量传递在时间t10结束。在时间t10，所有的开关被关断使得没有电流流过电感器，如电感器电流波形ILR所示，并且所述开关保持关断直到t11为止。在一个实施例中，t11和t10之间的时间间隔时段根据开关晶体管M1和M2之间的死区时间要求和/或根据特定系统的要求来调整。
在时间t11，开关SB和SC被接通以在电容器CS2、电感器Lr和电容器CGS1之间形成谐振回路。然后来自电容器CS2的能量通过电感器Lr传递到电容器CGS1。因此电感器电流ILR呈正半正弦波，在VCGS1的电压在时间t12从低电压VL上升到高电压VH，在储存电容器CS2的电压从VH2摆动到VL2。开关SB和SC在t12被关断，同时开关S1被接通以及将VCGS1从VH拉到Vcc。开关S1可以在t13关断，或者保持接通直到t7为止。在t13之后重复另一个周期的可替选充电。在一些实施例中，开关S1和S3被接通了较短的持续时间，以便将开关晶体管M1和M2的栅极电压从VH拉到Vcc。
图7a示出了实施例的利用了以上描述的实施例的开关栅极驱动器系统600的变换器系统700。变换器系统700包括第一级功率变换器702，第一级功率变换器702之后是第二级功率变换器704。在一个实施例中，第一级功率变换器702可以是开关模式AC/DC变换器，其被配置成耦合到AC电网且被配置成提供功率因数校正(PFC)。第二级功率变换器704可以是开关DC/DC变换器，其将第一级功率变换器702的DC输出变换为不同的DC电压。在一个实施例中，功率变换器702可以是开关模式功率变换器，其将AC线电压变换成高达约400Vdc，第二级功率变换器704可以将第一级功率变换器702的输出变换成低电压，诸如12V，以便将电力供给到诸如计算机的电子系统。可替选地，第一级功率变换器702可以是DC/DC变换器，和/或可以使用其它的电压。
在一个实施例中，上述的实施例的栅极驱动器电路可以用来实现第一级功率变换器702和第二级功率变换器704中的栅极驱动器电路。
图7b示出了一个实施例的AC/DC功率变换器702，其可以用来实现图7a所示的第一级功率变换器702。如图所示，功率变换器702包括串联的电感器Lr、随后是包括高侧晶体管714和低侧晶体管718的H桥电路。高侧晶体管714中的每个通过实施例的谐振高侧栅极驱动器电路712来驱动，且低侧晶体管718中的每个通过以上实施例描述的谐振低侧栅极驱动器电路716来驱动。在操作期间，PFC控制器720产生用于高侧晶体管714和用于低侧晶体管718的开关信号，使得跨电容器C的电压被整流。在一些实施例中，PFC控制器720控制开关信号，使得AC输入电流与AC输入电压同相。PFC控制器720可以被配置成利用本领域中已知的软开关方法激活高侧晶体管741和低侧晶体管718，以便减少开关损耗。
图7c示出了实施例的DC/DC功率变换器704，其可以用来实现图7a所示的第二级功率变换器704。如图所示，DC/DC功率变换器704被配置成LLC变换器，其具有拥有晶体管724和726的半桥电路，随后是与谐振电感器Lr以及变压器的初级绕组732串联耦合的谐振电容器Cr。在次级侧，晶体管728和730耦合到变压器的次级绕组734。每个晶体管724、726、728和730通过在以上实施例中描述的相应实施例的谐振栅极驱动器744、746、748和750来驱动。
在操作期间，LLC控制器722产生激活谐振栅极驱动器744、747、748和750的开关信号。具体来说，LLC控制器722在功率变换器702的谐振频率附近驱动半桥晶体管724和726，以根据本领域中已知的LLC控制方法来控制输出电压。LLC控制器722还根据本领域中已知的同步整流控制方案来将次级侧的开关晶体管728和730操作为同步整流器。在一些实施例中，使用本领域中已知的软开关方法来控制各个晶体管。应理解，在图7b和图7c中示出的功率变换器702和704只是可以用在实施例的电源系统中的许多可能的实施例的功率变换器拓扑中的两种。
在一些实施例中，从栅漏电容CGD获取的能量可以用来补充用来驱动开关晶体管的功率。例如，在图1的实施例的反激电路中，可以使用实施例的栅极驱动器电路来驱动开关晶体管，使得用来驱动开关晶体管的能量的至少50％是在前一周期期间从开关晶体管的栅漏电容获取的。在一些实施例中，电路可以获取其他比例的用来驱动开关晶体管的功率。该所获取的功率甚至可以超过用来接通开关晶体管的功率的量。
图8示出了操作开关晶体管的实施例的方法800的流程图。在步骤802，当跨开关晶体管的电压超过第一电压电平时，开关晶体管被关断。在步骤804，电荷从开关晶体管的栅漏电容传递到电荷储存器件。在一些实施例中，电荷还从开关晶体管的栅源电容传递出来。接着，在步骤806，当跨开关晶体管的电压低于比第一电压电平低的第二电压电平时，开关晶体管被接通。最后，在步骤808，电荷从储存器件传递到开关晶体管的栅极。
用于开关MOSFET的常规质量因数(FOM)是乘积Qgd*Ron，其中Qgd是栅漏电荷且Ron是开关MOSFET的接通电阻。然而，在本发明的一些实施例中，较大的Cgd转换成更多的能量，其在开关晶体管被关断时可以从开关晶体管的栅漏电容处提取。因而，在一些实施例中，即使Qgd*Ron没有被最小化也可以实现非常好的性能。在MOSFET关断期间，较高的Qgd转换成较高的能量提取。此外，在较大的Qgd的情况下，栅极驱动器电流波形可以不同，且在最高的电流谐振点处而不是在常规MOSFET的典型的米勒电容电流处可以允许Cgd的充电和放电。这可以实现类似的或甚至更快的开关速度，同时增加Qgd或增加Ron，而没有牺牲开关速度或栅极损耗。此外，良好控制的谐振栅极驱动器趋于具有平滑的开关波形，而没有在硬开关栅极驱动器中(其中VGS的dv/dt可以通过谐振电感器Lr的值来精细控制)见到的常规的电压过冲。
在不同实施例中，可以利用谐振电感器和储存电容器在开关晶体管的关断期间提取能量。提取的能量储存在储存电容器中，以在开关晶体管的接通期间再次使用。在包括所有的开关损耗和阻性损耗的ZVS条件下，当在关断期间提取的能量大于用于接通开关晶体管的能量时，实现净正能量。以下示出了等式以满足用于净正能量的条件：
0.5LrI2–栅极驱动器损耗>0.5(CGS+CGD)VGS 2 2，其中Lr是谐振电感器，I是在开关晶体管的关断期间通过电感器的最大/峰值电流，VGS是在接通期间的开关晶体管的栅源电压，CGS是栅源电容器且CGD是开关晶体管的栅漏电容器。术语LrI2表示经由谐振电感器Lr传递且储存在储存电容器中的能量，或者称为所提取的能量。栅极驱动器损耗包括在驱动开关晶体管时的开关损耗和其它的阻性损耗。等式的右侧表示在ZVS条件下接通开关晶体管所需的能量。通过电感器的电流I可以借助于电容器CGD、跨开关晶体管的栅源电压VGS和栅漏电压VDS来表示。通过将栅极驱动器损耗视作是全部提取能量的一部分可以进一步简化等式。
在一个实施例中，当操作在10V的VGS和50V的VDS时，使用具有大于0.3的CGD与CGS的比率的开关MOSFET可以产生净正能量。在其它实施例中，该比率可以低至0.01或高至1以获取净正能量。应理解，针对不同的CGS与CGD的比率、开关晶体管的不同的VGS和VDS，以上例子是获取净正能量的许多方式中的一种。
本发明的实施例可以应用于各种开关应用。例如，实施例的栅极驱动器可以用在同步降压变换器、AC和DC开关模式电源、例如用在无刷DC电机驱动器中的半桥和全桥驱动器。一些实施例的优点包括能够在谐振栅极开关期间在晶体管关断事件期间从栅漏电容器Cgd的充电中提取能量和储存所述能量以便再次使用。应注意，在零电压开关期间，栅极驱动器不需要在接通事件期间在相反方向对栅漏电容器Cgd充电，且因此储存的能量没有被提供回来。因此，在关断事件期间提取的能量有助于提升系统的效率。在一些实施例中，从栅漏电容器Cgd的充电中提取的且储存在储存电容器中的能量可以高于栅极驱动器本身的总能量消耗。在这种情况下，驱动器需要的功率供给可以通过提取的能量来供给。实施例的系统和方法也可以应用于提供用于栅极驱动器的自主发电机。本发明的实施例概述于此。通过说明书的全部内容和所提交的权利要求可以理解出其它实施例。一个一般性方面包括一种操作开关晶体管的方法，所述方法包括：通过将电荷从所述开关晶体管的栅漏电容传递到电荷储存器件来关断所述开关晶体管，以及通过将电荷从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极来接通所述开关晶体管。关断所述开关晶体管包括硬开关，接通所述开关晶体管包括软开关。
实施方式可以包括以下特征的一个或更多个。所述方法的将电荷从所述开关晶体管的栅漏电容传递到电荷储存器件包括：将电感器耦合在参考节点和开关晶体管的栅极之间，利用来自开关晶体管的栅漏电容的电荷将电感器磁化，第一次将所述电感器耦合在所述开关晶体管的栅极和所述电荷储存器件之间，以及在所述电感器退磁时对所述电荷储存器件充电；以及将电荷从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极包括：第二次将所述电荷储存器件耦合到所述开关晶体管的栅极。所述方法的将电感器耦合在参考节点和开关晶体管的栅极之间包括：接通耦合在所述电感器和所述参考节点之间的第一开关；以及第二次将所述电荷储存器件耦合到所述开关晶体管的栅极包括：接通耦合在所述电感器和所述电荷储存器件之间的第二开关。所述方法中，第一开关包括第一晶体管；第二开关包括第二晶体管；以及第一次将所述电感器耦合在所述开关晶体管的栅极和所述电荷储存器件之间包括：通过接通所述第二晶体管以及使用所述第二晶体管的体二极管中的至少一项来将电感器耦合到所述电荷储存器件。
在一些实施例中，第一次将所述电感器耦合在所述开关晶体管的栅极和所述电荷储存器件之间还包括：关断所述第一开关和接通耦合在所述开关晶体管的栅极和所述开关晶体管的参考端子之间的第三开关。在一些实施例中，所述电荷储存器件包括电容器。
实施方式还包括：在所述方法中，关断所述开关晶体管还包括：将电荷从所述开关晶体管的栅源电容传递到所述电荷储存器件。在所述方法中，将电荷从所述开关晶体管的栅源电容传递到所述电荷储存器件包括：在第一时段期间闭合与所述电荷储存器件的电感器和电容器串联耦合的开关；以及，将电荷从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极包括：在第二时段期间闭合所述开关。在一些实施例中，所述第一时段和所述第二时段可以是通过所述开关晶体管的输入电容和所述电感器形成的LC回路的谐振周期的一半。
在一些实施例中，从所述开关晶体管传递到所述电荷储存器件的储存能量大于从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极的能量的50％。在其它实施例中，从所述开关晶体管传递到所述电荷储存器件的储存能量至少是从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极的能量的100％。
实施方式还可以包括：在所述方法中，所述开关晶体管包括高侧开关晶体管。在所述方法中，所述开关晶体管包括高侧开关晶体管。在一些实施例中，所述开关晶体管包括超结MOSFET。在其它实施例中，所述开关晶体管包括氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)。
所述方法还可以包括：当跨所述开关晶体管的电压达到本地最大值时，关断所述开关晶体管。在一些实施例中，接通所述开关晶体管包括：当跨所述开关晶体管的电压达到本地最小值和/或零伏特时，接通所述开关晶体管。在一些实施例中，所述方法还包括：监视所述电荷储存器件的电压；以及当所述电荷储存器件的电压落在预定阈值以下时将所述电荷储存器件耦合到外部电源。所述方法还可以包括：通过调节耦合到所述开关晶体管的栅极的电感器的电感来控制所述开关晶体管的栅源电压的变化速率。
又一个一般性方面包括一种电路，具有：栅极驱动器，被配置成耦合到开关晶体管的栅极和电荷储存器件，其中所述栅极驱动器被配置成：通过将电荷从所述开关晶体管的栅漏电容传递到电荷储存器件来关断所述开关晶体管；其中所述开关晶体管使用硬开关被关断；以及通过将电荷从电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极来接通所述开关晶体管。所述开关晶体管使用硬开关被接通。
实施方式可以包括以下特征的一个或多个。在所述电路中，所述栅极驱动器包括：电感器，被配置成耦合到所述开关晶体管的栅极；以及所述栅极驱动器还被配置成：通过将电感器耦合在参考节点和开关晶体管的栅极之间来将电荷从开关晶体管的栅漏电容传递到电荷储存器件，利用来自开关晶体管的栅漏电容的电荷将电感器磁化，第一次将所述电感器耦合在所述开关晶体管的栅极和所述电荷储存器件之间，以及在所述电感器退磁时对所述电荷储存器件充电；以及通过第二次将所述电荷储存器件耦合到所述开关晶体管的栅极，将电荷从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极。在所述电路中，所述栅极驱动器还包括：第一开关，耦合在所述电感器和所述参考节点之间；以及第二开关，耦合在所述电感器和所述电荷储存器件之间，其中所述栅极驱动器被配置成：通过接通所述第一开关来将所述电感器耦合在所述参考节点和所述开关晶体管的栅极之间；以及通过接通所述第二开关来将所述电荷储存器件耦合到所述开关晶体管的栅极。
实施方式还可以包括如下所述电路，其中，所述第一开关包括第一晶体管；所述第二开关具有第二晶体管；以及所述栅极驱动器被配置成经由所述第二晶体管的体二极管来第一次将所述电感器耦合在所述开关晶体管的栅极和所述电荷储存器件之间。在所述电路中，所述栅极驱动器包括：形成开关电感器电路的串联耦合的电感器和开关，所述开关电感器电路被配置成耦合在所述电荷储存器件和所述开关晶体管的栅极之间，其中所述栅极驱动器电路还被配置成：通过在第一时段内闭合所述开关将电荷从所述开关晶体管的栅漏电容传递到所述电荷储存器件，以及通过在第二时段内闭合所述开关将电荷从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极。
在一些实施例中，所述第一时段和所述第二时段是通过所述开关晶体管的输入电容和所述电感器形成的LC回路的谐振周期的一半。在一些实施例中，所述电荷储存器件包括电容器。从所述开关晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件的储存能量可以大于从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极的能量的50％。在一些情况下，从所述开关晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件的储存能量至少是从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极的能量的100％。
实施方式还可以包括如下所述电路，其中所述开关晶体管的栅漏电容至少是所述开关晶体管的栅源电容的十分之一。在一些实施例中，所述电路包括所述开关晶体管。所述开关晶体管可以包括高侧开关晶体管，且在一些实施例中，所述开关晶体管包括超结MOSFET。所述栅极驱动器可以被配置成在跨所述开关晶体管的电压为零伏特时接通所述开关晶体管。
在不同实施例中，电路还包括：电荷储存监视电路，被配置成监视所述电荷储存器件的电压；以及耦合在所述电荷储存器件和外部电源之间的开关，其中所述电荷监视电路被配置成当所述电荷储存器件的电压落在预定阈值以下时闭合所述开关。所述电荷储存监视电路可以包括比较器，其具有耦合到所述电荷储存器件的第一输入节点、耦合到参考电压节点的第二输入节点以及耦合到所述开关的控制节点的输出。在一些实施例中，所述电路还包括电荷储存器件。
在一个实施例中，电路包括：开关晶体管；变压器，具有耦合到所述开关晶体管的初级绕组；次级侧电路，包括耦合到次级开关的次级控制器，所述次级开关耦合到所述变压器的次级绕组；以及隔离通信链路，耦合在所述次级控制器和所述栅极驱动器的输入之间，其中从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的储存能量大于从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极的能量的50％。
另一个一般性方面包括一种驱动第一开关晶体管和第二开关晶体管的方法，所述方法包括：关断所述第一开关晶体管，包括将电荷从所述第一开关晶体管的栅极传递到电荷储存器件；在关断所述第一开关晶体管之后，接通所述第二开关晶体管，包括将电荷从所述电荷储存器件传递到所述第二开关晶体管的栅极；在接通所述第二开关晶体管之后，关断所述第二开关晶体管，包括将电荷从所述第二开关晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件；以及在关断所述第二开关晶体管之后，接通所述第一开关晶体管，包括将电荷从所述电荷储存器件传递到所述第一开关晶体管的栅极。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。在所述方法中，关断所述第一开关晶体管包括：在跨所述第一开关晶体管的电压大于第一电压电平时关断所述第一开关晶体管；关断所述第二开关晶体管包括：在跨所述第二开关晶体管的电压大于所述第一电压电平时关断所述第二开关晶体管；接通所述第一开关晶体管包括：在跨所述第一开关晶体管的电压小于第二电压电平时接通所述第一开关晶体管，其中所述第二电压电平小于所述第一电压电平；以及接通所述第二开关晶体管包括：在跨所述第二开关晶体管的电压小于第二电压电平时接通所述第二开关晶体管。在一些实施例中，接通所述第二开关晶体管包括：使用从所述第一开关晶体管的栅极获得的能量的至少50％，同时关断所述第一开关晶体管。
在一个实施例中，将电荷从所述第一开关晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件包括：经由电感器对第一电容器充电；将电荷从所述第二开关晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件包括：经由所述电感器对第二电容器充电；将电荷从所述电荷储存器件传递到所述第一开关晶体管的栅极包括：经由所述电感器将电荷从所述第二电容器传递到所述第一电容器，并经由所述电感器将电荷从所述第一电容器传递到所述第一晶体管的栅极；以及将电荷从所述电荷储存器件传递到所述第二开关晶体管的栅极包括：经由所述电感器将电荷从所述第一电容器传递到所述第二电容器，并经由所述电感器将电荷从所述第二电容器传递到所述第二晶体管的栅极。
实施方式还包括如下所述方法，其中，将电荷从所述第一开关晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件包括：通过以下步骤经由电感器对第一电容器充电：闭合耦合在所述第一开关晶体管的栅极和所述电感器的第一端子之间的第一开关，闭合耦合在所述电感器的第二端子和参考节点之间的第二开关，断开耦合在所述电感器的第二端子和所述第二开关晶体管的栅极之间的第三开关，以及断开耦合在所述电感器的第一端子和所述参考节点之间的第四开关；将电荷从所述第二晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件包括：通过断开所述第一开关、断开所述第二开关、闭合所述第三开关和闭合所述第四开关，经由所述电感器来对第二电容器充电；将电荷从所述电荷储存器件传递到所述第一晶体管的栅极包括：通过断开所述第一开关、闭合所述第二开关、断开所述第三开关和闭合所述第四开关，经由所述电感器来将电荷从所述第二电容器传递到所述第一电容器，以及通过闭合所述第一开关、闭合所述第二开关、断开所述第三开关和断开所述第四开关，经由所述电感器来将电荷从所述第一电容器传递到所述第一晶体管的栅极；以及将电荷从所述电荷储存器件传递到所述第二晶体管的栅极包括：通过断开所述第一开关、闭合所述第二开关、断开所述第三开关和闭合所述第四开关，经由所述电感器来将电荷从所述第一电容器传递到所述第二电容器，以及通过断开所述第一开关、断开所述第二开关、闭合所述第三开关和闭合所述第四开关，经由所述电感器来将电荷从所述第二电容器传递到所述第二晶体管的栅极。
在一个实施例中，闭合所述第一开关、闭合所述第二开关、闭合所述第三开关和闭合所述第四开关的步骤包括：在通过所述电感器、所述第一电容器和所述第二电容器形成的LC回路的半谐振周期中闭合各个开关。
一个一般性方面包括一种电源系统，包括：开关晶体管电路，被配置成驱动电感性负载；电荷储存电容器，被耦合到所述开关晶体管的栅极；栅极驱动器电路，被配置成：关断所述开关晶体管；当关断所述开关晶体管时，将第一能量从所述开关晶体管传递到所述电荷储存电容器；以及通过将第二能量从所述电荷储存电容器传递到所述开关晶体管的栅极来接通所述开关晶体管，其中所述第一能量至少是第二能量的50％。
实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。在所述系统中，所述开关晶体管电路包括氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)。在一些实施例中，所述第一能量至少是所述第二能量的100％。所述栅极驱动器可以被配置成使用硬开关来关断所述开关晶体管；以及所述栅极驱动器被配置成使用软开关来接通所述开关晶体管。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但说明书并非用来构成限制。当本领域技术人员在参考说明书时，示例性实施例的各种修改和组合以及本发明的其它实施例也是明显的。因此，所附权利要求可以涵盖任何的这种改型或实施例。

Claims (47)

1.一种操作开关晶体管的方法，所述方法包括：
关断所述开关晶体管，关断所述开关晶体管包括将电荷从所述开关晶体管的栅漏电容传递到电荷储存器件，其中关断所述开关晶体管包括硬开关；以及
接通所述开关晶体管，接通所述开关晶体管包括将电荷从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极，其中接通所述开关晶体管包括软开关。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
将电荷从所述开关晶体管的栅漏电容传递到电荷储存器件包括：将电感器耦合在参考节点和所述开关晶体管的栅极之间，利用来自所述开关晶体管的栅漏电容的电荷将所述电感器磁化，第一次将所述电感器耦合在所述开关晶体管的栅极和所述电荷储存器件之间，以及在所述电感器退磁时对所述电荷储存器件充电；以及
将电荷从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极包括：第二次将所述电荷储存器件耦合到所述开关晶体管的栅极。
3.根据权利要求2所述的方法，其中：
将电感器耦合在参考节点和所述开关晶体管的栅极之间包括：接通耦合在所述电感器和所述参考节点之间的第一开关；以及
第二次将所述电荷储存器件耦合到所述开关晶体管的栅极包括：接通耦合在所述电感器和所述电荷储存器件之间的第二开关。
4.根据权利要求3所述的方法，其中：
第一开关包括第一晶体管；
第二开关包括第二晶体管；以及
第一次将所述电感器耦合在所述开关晶体管的栅极和所述电荷储存器件之间包括：通过以下项中的至少一项来将电感器耦合到所述电荷储存器件：接通所述第二晶体管以及使用所述第二晶体管的体二极管。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，第一次将所述电感器耦合在所述开关晶体管的栅极和所述电荷储存器件之间还包括：关断所述第一开关和接通耦合在所述开关晶体管的栅极和所述开关晶体管的参考端子之间的第三开关。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述电荷储存器件包括电容器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中关断所述开关晶体管还包括：将电荷从所述开关晶体管的栅源电容传递到所述电荷储存器件。
8.根据权利要求1所述的方法，其中：
将电荷从所述开关晶体管的栅源电容传递到所述电荷储存器件包括：在第一时段期间闭合与所述电荷储存器件的电容器和电感器串联耦合的开关；以及
将电荷从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极包括：在第二时段期间闭合所述开关。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第一时段和所述第二时段是通过所述开关晶体管的输入电容和所述电感器形成的LC回路的谐振周期的一半。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述开关晶体管传递到所述电荷储存器件的储存能量大于从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极的能量的50％。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，从所述开关晶体管传递到所述电荷储存器件的储存能量至少是从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极的能量的100％。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述开关晶体管包括高侧开关晶体管。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述开关晶体管包括超结MOSFET。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述开关晶体管包括氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)。
15.根据权利要求1所述的方法，其中当跨所述开关晶体管的电压达到本地最大值时，关断所述开关晶体管。
16.根据权利要求1所述的方法，其中接通所述开关晶体管包括：当跨所述开关晶体管的电压达到本地最小值时，接通所述开关晶体管。
17.根据权利要求1所述的方法，其中接通所述开关晶体管包括：当跨所述开关晶体管的电压达到零伏特时，接通所述开关晶体管。
18.根据权利要求1所述的方法，还包括：
监视所述电荷储存器件的电压；以及
当所述电荷储存器件的电压落在预定阈值以下时将所述电荷储存器件耦合到外部电源。
19.根据权利要求1所述的方法，还包括：通过调整耦合到所述开关晶体管的栅极的电感器的电感来控制所述开关晶体管的栅源电压的变化速率。
20.一种电路，包括：
栅极驱动器，被配置成耦合到开关晶体管的栅极和电荷储存器件，所述栅极驱动器被配置成：
通过将电荷从所述开关晶体管的栅漏电容传递到电荷储存器件来关断所述开关晶体管，其中所述开关晶体管使用硬开关被关断；以及
通过将电荷从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极来接通所述开关晶体管，其中所述开关晶体管使用硬开关被接通。
21.根据权利要求20所述的电路，其中：
所述栅极驱动器包括：电感器，被配置成耦合到所述开关晶体管的栅极；以及
所述栅极驱动器还被配置成：
通过以下操作将电荷从所述开关晶体管的栅漏电容传递到所述电荷储存器件：将所述电感器耦合在参考节点和所述开关晶体管的栅极之间，利用来自所述开关晶体管的栅漏电容的电荷将所述电感器磁化，第一次将所述电感器耦合在所述开关晶体管的栅极和所述电荷储存器件之间，以及在所述电感器退磁时对所述电荷储存器件充电；以及
通过第二次将所述电荷储存器件耦合到所述开关晶体管的栅极，将电荷从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极。
22.根据权利要求21所述的电路，其中所述栅极驱动器还包括：
第一开关，耦合在所述电感器和所述参考节点之间；以及
第二开关，耦合在所述电感器和所述电荷储存器件之间，其中所述栅极驱动器被配置成：
通过接通所述第一开关来将所述电感器耦合在所述参考节点和所述开关晶体管的栅极之间；以及
通过接通所述第二开关来将所述电荷储存器件耦合到所述开关晶体管的栅极。
23.根据权利要求22所述的电路，其中：
所述第一开关包括第一晶体管；
所述第二开关包括第二晶体管；以及
所述栅极驱动器被配置成经由所述第二晶体管的体二极管来第一次将所述电感器耦合在所述开关晶体管的栅极和所述电荷储存器件之间。
24.根据权利要求21所述的电路，其中所述栅极驱动器包括：
形成开关电感器电路的串联耦合的电感器和开关，所述开关电感器电路被配置成耦合在所述电荷储存器件和所述开关晶体管的栅极之间，其中所述栅极驱动器电路还被配置成：
通过在第一时段期间闭合所述开关，将电荷从所述开关晶体管的栅漏电容传递到所述电荷储存器件，以及
通过在第二时段期间闭合所述开关，将电荷从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极。
25.根据权利要求24所述的电路，其中所述第一时段和所述第二时段是通过所述开关晶体管的输入电容和所述电感器形成的LC回路的谐振周期的一半。
26.根据权利要求20所述的电路，其中所述电荷储存器件包括电容器。
27.根据权利要求20所述的电路，其中从所述开关晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件的储存能量大于从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极的能量的50％。
28.根据权利要求27所述的电路，其中从所述开关晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件的储存能量至少是从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极的能量的100％。
29.根据权利要求20所述的电路，其中所述开关晶体管的栅漏电容至少是所述开关晶体管的栅源电容的十分之一。
30.根据权利要求20所述的电路，还包括所述开关晶体管。
31.根据权利要求30所述的电路，其中所述开关晶体管包括高侧开关晶体管。
32.根据权利要求30所述的电路，其中所述开关晶体管包括超结MOSFET。
33.根据权利要求20所述的电路，其中所述栅极驱动器被配置成在跨所述开关晶体管的电压为零伏特时接通所述开关晶体管。
34.根据权利要求20所述的电路，还包括：
电荷储存监视电路，被配置成监视所述电荷储存器件的电压；以及
耦合在所述电荷储存器件和外部电源之间的开关，其中所述电荷监视电路被配置成当所述电荷储存器件的电压落在预定阈值以下时闭合所述开关。
35.根据权利要求34所述的电路，其中所述电荷储存监视电路包括比较器，所述比较器具有耦合到所述电荷储存器件的第一输入节点、耦合到参考电压节点的第二输入节点以及耦合到所述开关的控制节点的输出。
36.根据权利要求20所述的电路，还包括所述电荷储存器件。
37.根据权利要求20所述的电路，还包括：
所述开关晶体管；
变压器，具有耦合到所述开关晶体管的初级绕组；
次级侧电路，包括耦合到次级侧开关的次级控制器，所述次级侧开关耦合到所述变压器的次级绕组；以及
隔离通信链路，耦合在所述次级控制器和所述栅极驱动器的输入之间，其中从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的储存能量大于从所述电荷储存器件传递到所述开关晶体管的栅极的能量的50％。
38.一种驱动第一开关晶体管和第二开关晶体管的方法，所述方法包括：
关断所述第一开关晶体管，包括将电荷从所述第一开关晶体管的栅极传递到电荷储存器件；
在关断所述第一开关晶体管之后，接通所述第二开关晶体管，包括将电荷从所述电荷储存器件传递到所述第二开关晶体管的栅极；
在接通所述第二开关晶体管之后，关断所述第二开关晶体管，包括将电荷从所述第二开关晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件；以及
在关断所述第二开关晶体管之后，接通所述第一开关晶体管，包括将电荷从所述电荷储存器件传递到所述第一开关晶体管的栅极。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，
关断所述第一开关晶体管包括：在跨所述第一开关晶体管的电压大于第一电压电平时关断所述第一开关晶体管；
关断所述第二开关晶体管包括：在跨所述第二开关晶体管的电压大于所述第一电压电平时关断所述第二开关晶体管；
接通所述第一开关晶体管包括：在跨所述第一开关晶体管的电压小于第二电压电平时接通所述第一开关晶体管，其中所述第二电压电平小于所述第一电压电平；以及
接通所述第二开关晶体管包括：在跨所述第二开关晶体管的电压小于所述第二电压电平时接通所述第二开关晶体管。
40.根据权利要求38所述的方法，其中接通所述第二开关晶体管包括：使用从所述第一开关晶体管的栅极获得的能量的至少50％，同时关断所述第一开关晶体管。
41.根据权利要求38所述的方法，其中
将电荷从所述第一开关晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件包括：经由电感器对第一电容器充电；
将电荷从所述第二开关晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件包括：经由所述电感器对第二电容器充电；
将电荷从所述电荷储存器件传递到所述第一开关晶体管的栅极包括：经由所述电感器将电荷从所述第二电容器传递到所述第一电容器，并经由所述电感器将电荷从所述第一电容器传递到所述第一晶体管的栅极；以及
将电荷从所述电荷储存器件传递到所述第二开关晶体管的栅极包括：经由所述电感器将电荷从所述第一电容器传递到所述第二电容器，并经由所述电感器将电荷从所述第二电容器传递到所述第二晶体管的栅极。
42.根据权利要求38所述的方法，其中
将电荷从所述第一开关晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件包括：通过以下步骤经由电感器对第一电容器充电：
闭合耦合在所述第一开关晶体管的栅极和所述电感器的第一端子之间的第一开关，闭合耦合在所述电感器的第二端子和参考节点之间的第二开关，断开耦合在所述电感器的第二端子和所述第二开关晶体管的栅极之间的第三开关，以及断开耦合在所述电感器的第一端子和所述参考节点之间的第四开关；
将电荷从所述第二晶体管的栅极传递到所述电荷储存器件包括：通过断开所述第一开关、断开所述第二开关、闭合所述第三开关和闭合所述第四开关，经由所述电感器来对第二电容器充电；
将电荷从所述电荷储存器件传递到所述第一晶体管的栅极包括：
通过断开所述第一开关、闭合所述第二开关、断开所述第三开关和闭合所述第四开关，经由所述电感器来将电荷从所述第二电容器传递到所述第一电容器，以及
通过闭合所述第一开关、闭合所述第二开关、断开所述第三开关和断开所述第四开关，经由所述电感器来将电荷从所述第一电容器传递到所述第一晶体管的栅极；以及
将电荷从所述电荷储存器件传递到所述第二晶体管的栅极包括：
通过断开所述第一开关、闭合所述第二开关、断开所述第三开关和闭合所述第四开关，经由所述电感器来将电荷从所述第一电容器传递到所述第二电容器，以及
通过断开所述第一开关、断开所述第二开关、闭合所述第三开关和闭合所述第四开关，经由所述电感器来将电荷从所述第二电容器传递到所述第二晶体管的栅极。
43.根据权利要求42所述的方法，其中闭合所述第一开关、闭合所述第二开关、闭合所述第三开关和闭合所述第四开关的步骤包括：在通过所述电感器、所述第一电容器和所述第二电容器形成的LC回路的半谐振周期中闭合各个开关。
44.一种电源系统，包括：
开关晶体管电路，被配置成驱动电感性负载；
电荷储存电容器，被耦合到所述开关晶体管的栅极；
栅极驱动器电路，被配置成：
关断所述开关晶体管；
当关断所述开关晶体管时，将第一能量从所述开关晶体管传递到所述电荷储存电容器；以及
通过将第二能量从所述电荷储存电容器传递到所述开关晶体管的栅极来接通所述开关晶体管，其中所述第一能量至少是所述第二能量的50％。
45.根据权利要求44所述的系统，其中所述开关晶体管电路包括氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)。
46.根据权利要求44所述的系统，其中所述第一能量至少是所述第二能量的100％。
47.根据权利要求44所述的系统，其中：
所述栅极驱动器被配置成使用硬开关来关断所述开关晶体管；以及
所述栅极驱动器被配置成使用软开关来接通所述开关晶体管。
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