CN108111023B - 用于半桥二极管的控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于半桥二极管的控制电路。提供一种电路，包括第一场效应晶体管和第二场效应晶体管。第一场效应晶体管包括第一二极管以及漏极、源极、栅极和第一附加电极。第二场效应晶体管包括第二二极管以及漏极、源极、栅极和第二附加电极。第一开关选择性地连接第一场效应晶体管的栅极和漏极电极。第二开关选择性地连接第二场效应晶体管的栅极和漏极电极。控制电路控制第一开关和第二开关。第一附加电极耦合至第二场效应晶体管的栅极电极，而第二附加电极耦合至第一场效应晶体管的栅极电极。

Description

用于半桥二极管的控制电路
本申请是申请日为2014年10月30日、申请号为201410598199.2、题为“用于半桥二极管的控制电路”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年10月31日提交的第13/60660号法国专利申请的优先权权益，在此通过引用的方式引入其法律允许的最大范围的全部内容。
技术领域
本公开总体上涉及电子电路，并且更具体地，涉及用于以半桥组装的场效应二极管的控制电路。本公开更具体地应用于以切换模式电源的形式形成转换器。
背景技术
切换模式电源使用(特别是在次级处)续流二极管，该续流二极管大多数通常被组装为具有公共电极(正极或负极)，因而位于半桥中。
在形成功率转换器时，通常在处于导通状态的二极管上的电压和截止状态的漏电流之间很难找到可接受的折衷。
发明内容
一个实施例克服了使用以半桥组装的二极管的组件的全部或部分缺点。
另一实施例提供了具有在前向压降和漏电流之间的改进折衷的半桥二极管组件。
另一实施例使用在衬底中包括扩散口袋(diffusion pocket)的场效应二极管。
一个实施例提供了一种电路，包括：第一场效应晶体管，组装为第一二极管，并且设置有漏极、源极和栅极电极以及附加电极；第二场效应晶体管，组装为第二二极管，并且设置有漏极、源极和栅极电极以及附加电极；第一开关，将第一晶体管的栅极连接至其漏极；第二开关，将第二晶体管的栅极连接至其漏极；以及用于控制第一开关和第二开关的电路。
根据一个实施例：第一晶体管的附加电极进一步直接连接至第二晶体管的栅极；以及第二晶体管的附加电极进一步直接连接至第一晶体管的栅极。
根据一个实施例，两个开关被控制为在如下阶段中同时截止，在该阶段中，二极管中的一个二极管在被反向偏置的同时，在其栅极被连接至另一个二极管的附加电极的影响下存在导通的风险。
根据一个实施例，二极管通过各自的正极互连。
根据一个实施例，二极管通过各自的负极互连。
根据一个实施例，每个附加电极均接触衬底中的扩散口袋。
根据一个实施例，每个附加电极均接触绝缘层。
一个实施例还提供一种切换模式电源型的功率转换器，所述功率转换器在变压器的次级处包括：至少一个电感元件和一个电容元件、以及诸如上文所述的电路。
根据一个实施例，第一二极管将由转换器提供的电压的参考端子连接至变压器的次级的绕组的电极，第二二极管将该参考端子连接至次级的该绕组的其他端子。
根据一个实施例，所述控制电路由触发器形成，该触发器具有反相输出以及置位和复位端子，该反相输出控制由MOS晶体管形成的所述开关，置位和复位端子从用于控制功率转换器的电路接收控制信号。
附图说明
在下文的特定实施例的非限制性描述中，将参照附图详细讨论前述或其他特征以及优点。
图1是由电压递降型(前向型)的切换模式电源形成的功率转换器的简化示意图；
图2是在衬底中具有扩散口袋的以半桥组装的场效应二极管的示例的简化示意图；
图3是重现图2中示图的结构的简化截面图；
图3A是重现图2中示图的另一结构的简化的局部截面图；
图4是图3的一对场效应二极管的简化示意图；
图5示出了用于控制图4的一对二极管的电路的实施例；
图6示出了在前向型功率转换器的次级处的、图5的电路的组件的示例；以及
图7A、图7B、图7C、图7D、图7E以及图7F以时序图的形式示出了图6的电路的操作。
具体实施方式
在不同的附图中，相同元件已经被指定具有相同的参考标号。为了清楚，仅示出了有助于理解将要描述的实施例的那些步骤和元件，并且会更详细的讨论这些步骤和元件。具体地，没有详细讨论切换模式电源型功率转换器的控制，描述的实施例与这种功率转换器的常规形成是兼容的。此外，没有详细讨论在衬底中具有扩散口袋的场效应二极管的形成。为形成这种二极管，可以参考美国专利第8,148,748和8,421,118号，还可以参考美国专利申请公开第2009/0267111、2010/0271851和2011/0051305号，其内容通过依法引证结合在此，这些可以用作指南。此外，没有详细讨论控制电路和功率转换器可能进行的应用，本文描述的实施例同样与这种转换器的常规应用兼容。
图1非常示意性地示出了例如电压递降型的前向切换模式电源型功率转换器的示例。然而，应注意，这种类型的转换器还可以用作电压递升转换器。其操作基于初级2和次级3之间的电流隔离(变压器12)以及施加在用于为初级供电的两个端子21和23之间的DC电压Vdc的切换而进行。在所示示例中，形成变压器12的初级的电感元件L1分别经由开关K25、K27连接至端子21和23。开关K25和K27在电路24(CTRL)的控制下具有切换DC电压Vdc的作用，该切换由变压器12传输至其次级3。两个二极管D26和D28将绕组L1与开关K25和K27的相应连结节点25和27连接至端子23和21，二极管D26的正极位于端子23侧，二极管D28的负极位于节点21侧。电路24的作用是使开关K25和K27在相对高频(在几十到几百千赫的范围内)时导通。在变压器12的次级处，与电容元件C相关以及与由二极管D32和D34形成的整流半桥相关的电感绕组L’用于整流以及平滑经过形成变压器次级的电感绕组L2重新恢复的电压，以在端子31和33之间提供DC输出电压Vout。元件L’将次级绕组L2的第一端子35连接至端子31。电容元件C连接端子31和33。二极管D32将绕组L2的第二端子37连接至端子33，其正极位于端子33侧。最后，二极管D34将绕组L2的第一端子35连接至端子33，其正极位于端子33侧。在图1中，示出了负载4(Q)，该负载4(Q)试图连接至端子31和33以便通过电压Vout被供电。
诸如如图1所示的切换模式电源的操作是常见的。更通常而言，电路24根据负载4的电能需求调整开关K25和K27的导通时段的占空比。
与二极管的使用相关的问题在于，由于其导通状态压降，其会产生传导损耗。
最近已经开发了一类基于垂直MOS晶体管结构的场效应二极管，其能够改进前向压降(由于导通状态的漏极-源极阻抗以及由于由栅极-源极连接创建的势垒)和反向漏电流之间的折衷。理想地，希望这两个量的最小化。
除了常规的源极电极、漏极电极、栅极电极和衬底电极(在传统意义上的MOS中)外，这类场效应二极管还包括附加的电极，称为口袋电极(pocket electrode)，其连接至占用一部分空间用于分隔两个MOS晶体管沟道的扩散口袋，或者连接至在上述相同空间上方的栅极氧化物上沉积的多晶硅层，以在它们之间形成电容。
在二极管模式操作中，源极电极、栅极电极、体电极(在传统意义上的MOS中)和口袋电极被互连，因而仅剩余两个分离的电极，即源极电极和漏极电极。
在半桥组件的情况中，仅互连源极电极和衬底电极。半桥的二极管中的一个的栅极电极连接至另一二极管的口袋电极，并且反之亦然。
图2是使用具有连接至衬底的扩散口袋的场效应二极管的技术的、二极管D32和D34的实施例的简化示意图。
图3是根据图2示图的二极管D32和D34的结构的简化示例。
图2和图3源自美国专利第8,421,118号文档中描述的实施例。
在该示例中，通过在N型晶片40(N-)中使用垂直MOS晶体管技术来形成二极管。通常通过对形成它们的晶片进行切割来分隔晶片40的每个定义二极管的区域，其中封装的树脂(未示出)使二极管彼此隔离。
形成二极管中的一个的每个晶体管包括四个电极：
源极电极S1、S2，分别接触N掺杂源极区域S1’、S2’(N++)，以及P掺杂的所谓体区域(在传统意义上的MOS中)43(P+)；
漏极电极D1、D2，分别接触N型的漏极区域D1’、D2’(N++)；
栅极电极G1、G2，分别接触沉积在绝缘层45(栅极氧化物)上的多晶硅层47，并且分别控制在P型区域(P+)中的窄沟道41、42的传导率；以及
附加口袋电极P1、P2，分别接触晶片40中的(在本示例中)P型(P++)的扩散口袋P1’、P2’。
口袋电极的作用在于提取信号，该信号可用作形成另一二极管的相邻晶体管的栅极控制信号。
在图3的示例中，考虑了环状同心栅极和源极，该口袋电极位于中心。
图3A示出了扩散口袋被替换为电容器的实施例。图3A仅示出了该结构的左手部分(二极管D32)。在另一二极管(D34)上执行相同的修改。
与图3的实施例相比，这里的绝缘层45(栅极氧化物)在附加口袋电极P1下方延伸，附加口袋电极P1利用多晶硅层47中的焊盘与该绝缘层接触。
当该结构例如D32处于导通状态时，源极S1’和漏极D1’之间的压降很小。在口袋P1’的电平处生成低信号。在非导通状态中，耗尽区随着施加在源极和漏极之间的电压而变化。对于低施加电压，耗尽区位于口袋P1’和源极之间，并且通常在栅极下方结束。在该状态中，口袋P1’可以理解为通过漏极短路，而附加口袋电极P1的电压跟随漏极电极D1的电压。然而，对于较高的施加电压，耗尽区在口袋P1’下方延伸。则口袋电压基本恒定，并且独立于漏极电压。因此，附加口袋电极P1上呈现的信号可以用作表示结构D32的导通或非导通状态的信号。
为形成二极管半桥，形成二极管D32的晶体管的栅极G1连接至结构D34的附加口袋电极P2，而该结构D34的栅极G2连接至结构D32的附加口袋电极P1。
在基于诸如图3中示出的N沟道晶体管的实施例的示例中，源极S1和S2被互连以形成二极管D32和D34(A)的公共正极，而相应的漏极D1和D2定义二极管D32和D34的相应负极K1和K2。这种互连使得能够利用具有扩散口袋的结构的电特性的优点，以及更具体地使前向电压和漏电流之间的折衷更容易的优点。换言之，对于给定的漏电流，半桥的二极管的前向电压当该二极管的栅极通过半桥的另一半二极管(该另一半二极管自身反向偏置)的口袋电极偏置时将显著地低于常规二极管的前向电压，包括当其由在简单二极管模式(短路的源极、栅极和扩散口袋)下工作的相同结构形成时的情况。
图4是如图2和图3中相同方式连接的二极管D32和D34的简化示意图。二极管已经以展示其相应附加口袋电极P1和P2以及栅极电极G1和G2及其交叉连接的方式被明确示出。
在图1的类型的组件中，二极管的相应的导通或非导通状态仅取决于其间(正极和负极)施加的电压。
因此对于这两个二极管来说存在四种可能的状态。负极-正极电压V1和V2均为正的状态。负极-正极电压V1和V2均为负的状态。电压V1为正而电压V2为负的状态。电压V1为负而电压V2为正的状态。
假设正电压V1和负电压V2，则二极管D32导通，并且二极管D34截止。附加口袋电极P2将被连接至栅极G1的事实改进(降低)了前向压降。附加口袋电极P1的电压很低，这是由于其势垒高度已经通过从另一半二极管的口袋传输的偏置降低。因而，反向二极管将具有基本等于其源极电压的栅极电压，故漏电流将等于其栅极和源极电极被短路(对应于传统结构)的二极管的电流。
反向状态对应于跨二极管D34的正电压V2和跨二极管D32的负电压V1。之后，二极管D34为导通而二极管D32为非导通。和前述情况类似，非导通二极管的口袋电压降低了导通二极管的势垒高度，因此具有更低的前向电压。
在两个二极管正向偏置(电压V1和V2为正)的情况下，其口袋电压保持接近其源极电压，这同样提供了栅极和源极处于相同电压(对应于传统结构)的配置。因此在该实施例中，并未改进前向电压。
在两个二极管反向偏置(电压V1和V2为负)的情况下，其均具有高口袋电压，其会显著地降低二极管的势垒高度。因此，该二极管将具有明显的漏电流，或者尽管电压是反向的，但甚至将具有导电型行为。该情况是个问题，因为二极管可能会丢失其整流功能。
图5是图2至图4中示出的类型的两个二极管D32和D34的半桥组件的实施例的电路图。
一方面在属于二极管D32的栅极G1和接地(端子33)之间，另一方面在属于二极管D34的栅极G2与相同接地33之间，插入由电路52(CTR)控制的开关54和56，该电路52会在下文中参照其实施例中的一个进行描述。电路52的功能是使开关54和56导通以使形成二极管的MOS晶体管的栅极和扩散口袋接地。由于当二极管均为非导通时图4的电路中会出现问题，故使开关54和56同时导通。
例如，电路52从外部，典型地从功率转换器控制电路24，接收一个或多个控制信号CT。之后需要提供电流隔离。
根据另一示例，电路52集成用于测量电压V1和V2的能够生成其自身控制信号的电路。则电路52包括连接至负极K1和K2的两个输入端子。
图6示出了在图1的类型的转换器的次级处的、图5的受控半桥5的组件的示例。为了简化，图6中没有示出变压器12的初级L1的元件连接的上游。在次级处，可以发现元件C、L’、D32和D34以及根据该实施例的与诸如参照图5描述的开关54和56相关的控制电路52。
在图6的示例中，电路52由RS触发器形成，该触发器的反相输出NQ连接至开关54和56的控制电极，该触发器的相应的置位(1)和复位(0)输入接收从电压V1和V2的测量生成的信号SET、RESET。作为特定实施例，以N沟道MOS晶体管的形式制作开关54和56。
图7A、图7B、图7C、图7D、图7E和图7F是示出了当其在非连续导通模式下操作时图6的半桥5的操作的时序图，且分别示出了信号SET和RESET的形状的示例以及跨二极管D32和D34的电压V1和V2以及经过这些二极管(从正极到负极)的电流I1和I2的形状的对应示例。
假设第一周期T1开始于时刻t0(电压V2为正而电压V1等于零)，其间二极管D34为非导通而二极管32为导通。在这种情况下，信号SET被激活(高态)，这使得开关54和56截止。这是诸如参照图2至图4描述的具有扩散口袋的场效应二极管的常规操作。二极管D1中的电流I1增加，直到切换变压器12的初级(图1，开关K25和K27的截止)的时刻t1。
在时刻t1，初级的这种导通使次级处的流向反向(续流操作)并使电流流经二极管D34。二极管D32为非导通(其电压V1处于最大电平)。在周期T2(时刻t1开始并且时刻t2停止)的末尾，信号RESET被切换至状态1以使开关54和56导通，然后使二极管D32和D34的晶体管的栅极重新接地。
在时刻t1和t2之间，信号SET和信号RESET处于低态。然而开关54和56保持关断。
开关54和56的导通确定了在时刻t3和t’0(下一循环的开始)之间，在二极管D34中的电流消失的同时，二极管D32和D34均有效地为非导通。在周期T3期间，所跨的电压显著地取决于前向转换器操作模式。在非连续操作模式中(对于小负载一般经常发生)，如果二极管为非导通，则电流I2在时刻t’0之前变为零，而电压V1和V2在电压Vout周围振荡。在连续操作模式中(对于高负载一般经常发生)，由于其导通，故电流I2在时刻t’0之前不变为零，因而跨二极管没有反向电压。从时刻t’0开始在下一循环中重复相同操作。
上述实施例的优点在于扩散口袋二极管的使用相对于传统二极管提供了性能和体积上的提升。
另一优点在于提供的切换实现起来特别简单，并且避免了寄生传导现象。因此，在保留切换模式电源的操作的同时，利用了这种新型的场效应二极管的优点。
信号SET和RESET的生成及其相应同步取决于其中插入有半桥的应用的类型。实际上，根据该应用，当前电压及其期望变换区域被分析以提供在设计阶段中信号SET和RESET的适当生成。
已经描述了多种实施例和变化。这些实施例和变化当然可以结合。具体地，尽管参照具有公共正极的二极管(基于N沟道场效应晶体管形成)的示例示出了实施例，但也可以通过用P沟道晶体管形成二极管来形成具有公共负极的二极管桥。此外，部件的尺寸取决于应用以及信号SET和RESET的生成。最后，基于上文给出的功能性表示，上述实施例的实际应用在本领域技术人员的能力范围内。
这种改变、修改和改进旨在作为本公开的一部分，并且旨在处于本发明的主旨和范围内。因而，上文的描述仅为示例而不旨在用于限制。本发明仅限制在随附的权利要求及其等同方案中。

Claims (8)

1.一种电路，包括：
第一场效应二极管，包括漏极、源极和栅极电极以及第一附加电极；
第二场效应二极管，包括漏极、源极和栅极电极以及第二附加电极；
第一开关，连接在所述第一场效应二极管的栅极和所述第一场效应二极管的源极之间，其中在所述第一场效应二极管被反向偏置时断开所述开关；
第二开关，连接在所述第二场效应二极管的栅极和所述第二场效应二极管的源极之间；以及
被配置为控制所述第一开关和所述第二开关的驱动的电路，
其中所述第一开关和所述第二开关在所述第一场效应二极管和所述第二场效应二极管被反向偏置的阶段中被控制为同时导通。
2.根据权利要求1所述的电路，其中：
所述第一场效应二极管的所述第一附加电极直接连接至所述第二场效应二极管的栅极；以及
所述第二场效应二极管的所述第二附加电极直接连接至所述第一场效应二极管的栅极。
3.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一场效应二极管和所述第二场效应二极管通过各自的正极互连。
4.根据权利要求1所述的电路，其中所述第一场效应二极管和所述第二场效应二极管通过各自的负极互连。
5.根据权利要求1所述的电路，其中所述附加电极中的每一个均接触衬底中的扩散口袋。
6.根据权利要求1所述的电路，其中所述附加电极中的每一个均接触绝缘层并形成电容结构的一个极板。
7.一种电路，包括：
第一场效应二极管，包括漏极、源极和栅极电极以及第一附加电极；
第二场效应二极管，包括漏极、源极和栅极电极以及第二附加电极；
第一开关，跨所述第一场效应二极管的栅极和所述第一场效应二极管的源极而直接连接；
第二开关，跨所述第二场效应二极管的栅极和所述第二场效应二极管的源极而直接连接；以及
被配置为控制所述第一开关和所述第二开关的驱动的电路，
其中所述第一场效应二极管的所述第一附加电极直接连接至所述第二场效应二极管的栅极；
所述第二场效应二极管的所述第二附加电极直接连接至所述第一场效应二极管的栅极；以及
所述第一开关和所述第二开关在所述第一场效应二极管和所述第二场效应二极管被反向偏置的阶段中被控制为同时导通，并且所述第二场效应二极管的附加电极向所述第一场效应二极管的栅极施加信号，所述信号将引起所述第一场效应二极管变为导通。
8.一种电路，包括：
第一场效应二极管，包括漏极、源极和栅极电极以及第一附加电极；
第二场效应二极管，包括漏极、源极和栅极电极以及第二附加电极；
第一开关，跨所述第一场效应二极管的栅极和所述第一场效应二极管的源极而直接连接；
第二开关，跨所述第二场效应二极管的栅极和所述第二场效应二极管的源极而直接连接；以及
被配置为控制所述第一开关和所述第二开关的驱动的电路，
其中所述附加电极中的每一个均接触绝缘层并形成电容结构的一个极板。
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