CN108574399B - 电力电子装置、控制方法和包括单个半导体封装的装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电力电子装置、控制方法和包括单个半导体封装的装置。电力电子装置包括被配置成将电流传送至电力电子装置的输出节点的一组开关，其中该组开关包括具有第一控制端子的第一开关和具有第二控制端子的第二开关，其中第二开关的宽长比大于第一开关的宽长比，并且其中第一开关与第二开关并联电连接。电力电子装置还包括控制电路，该控制电路被配置成将第一控制信号传送至第一控制端子并且在将第一控制信号传送至第一控制端子的同时将第二控制信号传送至第二控制端子。

Description

电力电子装置、控制方法和包括单个半导体封装的装置
技术领域
本公开内容涉及电力电子器件。
背景技术
电力电子装置可以包括被配置成在电源与负载之间导电的开关。电力电子装置还可以包括控制电路，该控制电路被配置成通过导通及断开开关来控制通过开关的电流。控制电路可以被配置成通过将控制信号传送到开关的控制端子来导通开关。当控制电路开始向控制端子传送控制信号时，开关不会立即导通。相反，开关可以与由控制电路传送到控制端子的控制信号的电流成比例地逐步导通。开关的导通时间可以取决于开关的寄生电容和控制信号的电流的幅度。
发明内容
本公开内容描述了用于电力电子装置的技术，该电力电子装置包括并联连接的一组开关和被配置成将控制信号传送至该组开关的控制端子的控制电路。该组开关可以代替单个开关，并且装置可以利用该组开关中的每个开关的独有特性。通过操作该组并联的开关，与具有单个开关和相同封装尺寸的其他电力电子装置相比，电力电子装置可以以较小的控制电路占用空间而经历类似的导通时间。
在一些示例中，装置包括被配置成将电流传送至装置的输出节点的一组开关，其中该组开关包括具有第一控制端子的第一开关和具有第二控制端子的第二开关，其中第二开关的宽长比大于第一开关的宽长比，并且其中第一开关与第二开关并联电连接。该装置还包括控制电路，该控制电路被配置成将第一控制信号传送至第一控制端子并且在将第一控制信号传送至第一控制端子的同时将第二控制信号传送至第二控制端子。
在一些示例中，一种方法包括将第一控制信号传送至被配置成将电流传送至输出节点的一组开关中的第一开关的控制端子。该方法还包括：在将第一控制信号传送至第一开关的控制端子的同时将第二控制信号传送至该组开关中的第二开关的控制端子，其中，第二开关的宽长比大于第一开关的宽长比，并且其中，第一开关与第二开关并联电连接。
在一些示例中，包括单个半导体封装的装置包括被配置成将电流传送至装置的输出引脚的一组开关，其中该组开关包括第一开关，第一开关包括第一控制端子、第一高边负载端子和第一低边负载端子。该组开关还包括第二开关，第二开关包括第二控制端子、电连接至第一高边负载端子的第二高边负载端子、以及电连接至第一低边负载端子的第二低边负载端子，其中第二开关的宽长比大于第一开关的宽长比。该装置还包括：电源引脚，其电连接至第一高边负载端子和第二高边负载端子；以及输出引脚，其电连接至的第一低边负载端子和第二低边负载端子。该装置还包括控制电路，该控制电路被配置成将第一控制信号传送至第一控制端子并且在将第一控制信号传送至第一控制端子的同时将第二控制信号传送至第二控制端子。
在附图和下面的描述中阐述了一个或更多个示例的细节。其他特征、目标和优点根据说明书和附图以及根据权利要求书将是明显的。
附图说明
图1是示出根据本公开内容的一些示例的、包括并联连接的一组开关和控制电路的装置的概念框图；
图2是示出根据本公开内容的一些示例的、包括一组开关的寄生电容的图1的装置的电路图；
图3是根据本公开内容的一些示例的、图1的一组开关的输出电压的曲线图；
图4是示出根据本公开内容的一些示例的、图1的装置的概念框图和电路图；
图5是示出根据本公开内容的一些示例的、包括控制电路的示例配置的图1的装置的电路图；
图6是示出根据本公开内容的一些示例的、包括被配置成感测通过一组开关的电流的感测电路的图1的装置的电路图；
图7是示出根据本公开内容的一些示例的、用于控制一组开关的技术的流程图。
具体实施方式
电力电子装置可以包括被配置成在装置的工作期间导通及和关断的开关。装置的重要特性可以包括装置的功耗、开关的转换速率以及装置封装的尺寸。首先，装置的功耗可以取决于开关的导通电阻，这可以取决于开关的尺度。通常，与具有薄和/或长的沟道的开关相比，具有宽、短的沟道的开关可以具有更低的导通电阻。其次，开关的转换速率可以取决于开关的寄生电容和由控制电路提供的充电电流。开关的寄生电容可能随着开关的尺度而变化。因此，与较小的开关相比，较大的开关可以包括较低的导通电阻，但也可以包括较高的寄生电容和较低的转换速率。第三，装置封装的尺寸可以基于控制电路的尺寸。在一些示例中，由控制电路传送到开关的控制端子的充电电流(即，控制信号)的幅度可以与控制电路中的电荷泵电路的大小成比例。
与其他装置的控制电路系统相比，本公开内容的装置可以包括更小的控制电路。较小尺寸的控制电路可以允许装置具有较小的封装尺寸，这可以允许诸如电子装置或电动机控制装置这样的系统具有较小的体积。与其他装置相比，该装置可以具有类似的导通电阻和类似的转换速率，因为该装置包括并联电连接的一组开关。该组开关可以包括具有相对较低的导通电阻的较大开关以及具有相对低的寄生电容的较小开关。因此，如果控制电路将相等的充电电流传送到一组开关的控制端子，那么较小的开关可以具有比较大的开关更高的转换速率。因此，较小的开关可能比较大的开关更快地导通。
在其他装置中，单个开关可以具有更大的尺度以减小开关的导通电阻，并因此降低装置的功耗。由于较大的尺度，单个开关可以具有较高的寄生电容。为了实现可接受的转换速率，其他装置可以包括具有相对大的占用空间的控制电路。控制电路的大占用空间可以允许控制电路产生相对高的充电电流，这可能会使单个开关具有可接受的转换速率。然而，控制电路的大占用空间会导致大的装置封装。
相比之下，具有并联连接的一组开关的本公开内容的装置与具有单个开关的其他装置相比可以具有更小的封装尺寸和类似的性能。例如，与具有单个开关的其他装置相比，该装置可能经历类似的功耗和转换速率。即使对于由控制电路传送的相对低的充电电流来说，该组开关中的较小开关也可以具有较低的寄生电容和较快的转换速率。较大的开关可以具有较低的导通电阻，较低的功耗以及较高的电流能力。因此，控制电路可以具有较小的占用空间，同时仍然驱动较小的开关以具有可接受的转换速率。因此，与其他装置相比，该装置可以以较小的封装提供可接受的性能。
图1是示出根据本公开内容的一些示例的、包括并联连接的一组开关10和控制电路16的装置2的概念框图。装置2包括开关组10、控制电路16以及节点20A和20B。装置2可以是电力电子装置、模拟电子装置、嵌入式系统、集成电路(IC)装置、电力转换装置、电机驱动器电路和/或任意其他电子装置。装置2可以被配置成驱动连接到输出节点20B的电负载。连接到输出节点20B的电负载可以是电路、电子装置、电机、发光装置、发声装置和/或任意其他电负载。在一些示例中，装置2可以在输入节点20A处接收第一形式的电力并且在输出节点20B处传送第二形式的电力。第一形式的电力可以在频率、波形、电流幅度和/或电压幅度方面与第二形式的电力不同。
开关组10包括并联电连接的开关12A和开关12B。开关组10被配置成基于由控制电路16传送至控制端子14A和14B的控制信号18A和18B来将电流从输入节点20A传送至输出节点20B。输出节点20B处的电流可以等于通过开关12A的电流和通过开关12B的电流之和。如图1所示，开关12A具有比开关12B更小的面积。开关12A也可以具有比开关12B更小的宽长比。开关12A的宽度是在负载端子之间流动的电力所穿过的沟道的宽度。例如，沟道的宽度可以类似于公路上的车道的数量。开关12A的长度是沟道的长度，即电力在负载端子之间行进多远。沟道的长度可以类似于公路上的起点与目的地之间的距离。因此，高的宽长比可以对应于低的导通电阻，这是因为电力虽然行进相对较短的距离但穿过的实际区域(realestate)的量相对较大。
在一些示例中，开关12A的宽长比可以是二十比一、三十比一或四十比一，并且开关12B的宽长比可以是二十比一、六十比一或一百二十比一。与开关12A相比，开关12B的较大的宽长比会导致较低的导通电阻。在一些示例中，开关12A和12B中的每个可以具有相同的长度，而开关12B的宽度可以大于开关12A的宽度。在一些示例中，开关12A和12B中的每个可以包括一个或更多个开关模块，其中开关12A和12B中的每个的宽度可以取决于并联连接的开关模块的数量。例如，如果开关12A的宽长比是五比一，并且开关12B的宽长比是二十比一，则开关12B可以包括是开关12A的四倍的并联连接的开关模块。
例如，开关的功耗可以取决于开关的导通电阻。功耗可以是当电流在负载端子之间流动时在开关中消耗的功率。功耗可以基于等式(1)，其中P是功率消耗，V是开关的负载端子之间的电压，I是负载端子之间的电流，并且R是开关的导通电阻。对于传导特定电流I的开关，功耗与导通电阻R成比例。
P＝VI＝V2/R＝I2R (1)
开关12A和12B可以并联电连接，使得开关12A的高边负载端子可以电连接至开关12B的高边负载端子。开关12A的低边负载端子可以电连接至开关12B的低边负载端子。在一些示例中，电连接可以被设计成在两个或更多个部件之间具有零阻抗。在一些示例中，即使两个部件被设计成电连接，也可能存在非零电阻和/或非零电阻抗。另外，两个部件之间的电连接可以包括两个部件之间的电容和/或电感。
开关12A和12B可以是功率开关，例如但不限于任何类型的场效应晶体管(FET)、双极结晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、高电子迁移率晶体管(HEMT)，基于氮化镓(GaN)的晶体管或使用电压用于其控制的其他元件。开关12A和12B可以包括n型晶体管或p型晶体管，并且可以是功率晶体管。在一些示例中，开关12A和12B可以是垂直晶体管，横向晶体管和/或水平晶体管。在一些示例中，开关12A和12B可以包括其他模拟装置，例如二极管和/或晶闸管。开关12A和12B还可以包括与晶体管并联连接的续流二极管，以防止晶体管的反向击穿。在一些示例中，开关12A和12B可以作为开关和/或作为模拟装置操作。
开关12A可以包括三个端子——两个负载端子和控制端子14A，并且开关12B可以包括三个端子——两个负载端子和控制端子14B。对于MOSFET开关，开关12A和12B可以包括漏极端子、源极端子和至少一个栅极端子，其中控制端子14A和14B是栅极端子。对于BJT开关，控制端子14A和14B可以是基极端子。基于控制端子14A和14B处的电压，电流可以在开关12A和12B的负载端子之间流动。因此，基于传送至控制端子14A和14B的控制信号18A和18B，电流可以在节点20A和20B之间流动。
开关12A和12B可以包括各种材料的化合物，例如硅(Si)、碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)或者一种或更多种半导体材料的任意其他组合。为了利用一些电路中的更高的功率密度要求，功率转换器可以在更高的频率下工作。在一些示例中，碳化硅开关可能经受较低的切换功率损耗。磁性上的改善和更快的切换——例如氮化镓开关——可以支持更高频率的转换器。与较低频率的电路相比，这些较高频率的电路可能需要以更精确的定时来发送控制信号。
控制电路16被配置成将控制信号18A和18B传送到控制端子14A和14B以控制开关12A和12B的负载端子之间的电流。控制电路16可以包括电荷泵电路，该电荷泵电路被配置成生成充电电流并将其传送至控制端子14A和14B。控制电路16的电荷泵电路可以包括被配置成在开关12A和12B的断开时段期间存储电荷的电容器。在开关12A和12B的导通时段开始时，电荷泵电路可以将电荷从电容器释放至控制端子14A和14B。为了传送高振幅充电电流，电荷泵电路可以包括相对大的电容器以存储及释放电荷。
控制电路16被配置成将控制信号18A传送至控制端子14A且同时将控制信号18B传送至控制端子14B。如本文中所使用的，“同时”意指在相同时间或大致相同时间，使得控制信号18A的使能边沿与控制信号18B的使能边沿同时出现。在一些示例中，控制信号18A和18B的使能边沿可以是上升沿或下降沿。在一些示例中，控制信号18A的上升沿可以是与控制信号18B的上升沿不同的小持续时间，诸如控制信号18A或控制信号18B的周期的总时段的百分之十，其中控制信号的总时段包括高时段和低时段。上升沿和/或下降沿之间的时间差可能是由于开关12A和12B的寄生电容的差异和/或控制信号18A和18B的特性引起的。例如，如果控制信号18A和18B的切换频率是5千赫兹，那么总时段是200微秒，并且控制信号18A和18B的上升沿可以同时出现，该同时出现被定义为相对于彼此在二十微秒内。
控制信号18A和18B可以是具有使能时段和非使能时段的方波形。例如，控制信号18A的使能时段可以是控制信号18A使得开关12A能够在开关12A的负载端子之间导电的时间段。控制信号18A可以包括作为去往或来自控制端子14A的电流的充电电流。当电荷积累或离开控制端子14A时，控制端子14A与输出节点20B之间的电压差可能增大或减小。根据开关的类型，该电压差可以是栅极-源极电压或基极-发射极电压。
控制端子14A处的电压增加或减小的速率被称为转换速率，并且以伏特每秒来度量。开关12A的导通时间是开关12A对来自控制电路16的使能信号的反应时间。当控制端子14A接收控制信号18A的使能上升沿或使能下降沿时，开关12A可以从零或几乎为零的电流转变为期望的电流。导通时间可以是控制信号18A的使能边沿与期望电流或期望电流的某百分比之间的持续时间。导通时间可以基于转换速率，使得快速转换速率导致开关12A快速导通。快速的或短的导通时间可以使开关12A在控制信号18A的使能时段开始之后的短持续时间内传导期望的电流。在图1的示例中，与由控制信号18B引起的控制端子14B处的电压的转换速率相比，控制信号18A可以使控制端子14A处的电压以更快的转换速率改变。
开关的转换速率可以取决于开关的寄生电容。在一些示例中，具有大横截面积的开关具有相对高的寄生电容和相对低的转换速率。如果开关12A是MOSFET开关，则开关12A的寄生电容可以包括栅极-漏极电容、栅极-源极电容以及漏极-源极电容。为了增加寄生电容相对高的开关的转换速率，控制电路16可以被放大以向开关的控制端子传送更大幅度的充电电流。然而，装置2的封装尺寸可以至少部分地基于控制电路16的尺寸。
根据本公开内容的技术，可以在保持装置2的性能特性的同时减小装置2的封装尺寸。当控制电路16同时传送控制信号18A和18B时，开关12A可以比开关12B更快地导通。例如，由于开关12A的寄生电容更小，因此装置2可能经历令人满意的转换速率。由于开关12B的导通电阻更低，因此装置2也可以经历令人满意的功耗。与具有单个开关的其他装置相比，由于控制电路16的较小的面积，因此装置2的封装尺寸可以更小。
与具有单个开关的其他装置相比，装置2可以在较高温度下具有更好的性能。与具有单个开关的其他装置相比，在装置2中热失控和电流拥挤的风险会更低。装置2可以在电流限制事件期间以更高的电流密度操作，这可以允许在温度稳定点以上工作。
图2是示出根据本公开内容的一些示例的、图1的装置2的包括一组开关10的寄生电容30A，30B，32A，32B，34A和34B的电路图。开关12A包括栅极-漏极寄生电容30A、栅极-源极寄生电容32A和漏极-源极寄生电容34A。开关12B包括栅极-漏极寄生电容30B、栅极-源极寄生电容32B和漏极-源极寄生电容34B。栅极-漏极电容30A可以小于栅极-漏极电容30B，这是因为开关12A可以小于开关12B。如果栅极-漏极电容30A小于栅极-漏极电容30B，则开关12A可以具有比开关12B更快的导通时间。
寄生电容30A，30B，32A，32B，34A和34B可以不是实际的电容器。相反，寄生电容30A，30B，32A，32B，34A和34B可以是由漏极端子、源极端子和/或栅极端子中的电荷生成的电场引起的杂散电容。例如在开关12A和/或开关12B的导通或关断转换期间，在较高频率下寄生电容30A，30B，32A，32B，34A和34B可能更重要。
在一些示例中，开关12A和12B可以是单个半导体管芯的一部分。开关12A和12B中的每个可以具有分离的控制端子，但是控制端子14A和14B可以相邻。在一些示例中，控制端子14A和14B可以交错，使得每个控制端子具有多个段。控制端子14A的一个段可以在一侧由控制端子14B的第一段以及控制端子14B的第二段来界定。
输入节点20A可以电连接至开关12A和12B的高边负载端子38A和38B以及电连接至(图2中未示出的)电源电路。输入节点20A还可以电连接至电源引脚，电源引脚可以连接至装置2外部的电源。电源电路可以从装置2的外部(例如从电网或另一电源)接收电力。输出节点20B可以电连接至开关12A和12B的低边负载端子39A和39B以及电连接至电负载。
控制电路16可以包括电流源36A和36B，电流源36A和36B可以包括电荷泵电路。电荷泵电路可以包括被配置成在开关12A和12B的关断时段期间存储电荷的电容器。在开关12A和12B的导通时段开始时，电荷泵电路可以将电荷从电容器释放至控制端子14A和14B。在一些示例中，电流源36A和36B的充电电流可以是大约七十微安。相比之下，具有单个开关及类似的转换速率的其他装置的充电电流可以是一百零五微安。其他装置可以包括更大的控制电路，并因此包括更大的封装，以生成更大的充电电流。
控制电路16的电荷泵电路可以基于时钟频率工作。在其工作期间，电荷泵电路可能产生电磁干扰(EMI)，电磁干扰会影响装置2中的其他部件和装置2外部的部件的性能。此外，电荷泵电路可以基于时钟频率工作。通常，电荷泵电路的较高的时钟频率会导致更大量的EMI。本公开内容的技术可以允许电荷泵电路的降低的时钟频率并因此降低EMI的量，而不牺牲器件2的性能。降低的时钟频率会导致电荷泵电路的效率和EMI下降。与具有单个开关的其他装置相比，装置2可以通过效率更低的电荷泵电路达到令人满意的性能和更少的EMI。
图3是根据本公开内容的一些示例的、图1的一组开关的输出电压的曲线图40。曲线图40描绘了当控制电路16将控制信号18A和18B传送至控制端子14A和14B时输出节点20B处的电压的导通转变。在一些示例中，如曲线图40所示，输出节点20B处的电压的转换速率可以不同于控制端子14A或14B处的电压的转换速率。输出节点20B处的电压的转换速率可以从稳态电压的百分之三十到稳态电压的百分之七十来测量。装置2的转换速率可以近似等于具有更大尺寸的控制电路的其他装置的转换速率，但是装置2可以具有更小的封装尺寸和更少量的EMI。
Figure BDA0001590312730000091
表I.三个装置的比较
表I示出了用于包括至少一个开关的装置的三种可能的配置。第一种场景是具有单个开关的其他装置，其被设计成具有每微秒六百五十毫伏的可接受转换速率。然而，第一种场景还包括具有更大幅度的控制信号，这会导致更大的装置封装和更大的EMI。第二种场景是具有单个开关的其他装置，其被设计成用于具有70微安的更小幅度的控制信号。然而，第二种场景还包括更低的转换速率，这会导致单个开关的更慢的导通时间。第三种场景是具有一组开关10的装置2的示例，其具有可接受的转换速率和幅度更小的控制信号。装置2的示例的切换损耗大于第一种场景但小于第二种场景。然而，切换损耗从第一种场景到装置2的轻微增加可以通过本文描述的其他益处来平衡。
图4是示出根据本公开内容的一些示例的图1的装置2的概念框图和电路图。图4描绘了控制电路16的电荷泵电路50、电荷泵电源52和栅极驱动器电路54。电荷泵电路50、电荷泵电源52和开关12A的高边负载端子可以电连接至输入节点20A和/或装置2的电源电路。栅极驱动器电路54可以基于电流源36A和56来传送控制信号18A。电荷泵电路50可以驱动电流源36A以将电流传送至控制端子14A。电流源56可以将电流从输出节点20B传送至控制端子14A。
图5是示出根据本公开内容的一些示例的、图1的装置2的包括控制电路16的示例配置的电路图。控制电路16可以包括偏置电流源60和用作电流镜的控制开关62A-62E。在一些示例中，控制开关组62B和62C可以作为电流源36B工作以将电流传送至控制端子14B，而控制开关组62D和62E可以作为电流源36A工作以将电流传送至控制端子14A。在其他装置的控制电路中，控制开关62B-62E可以被配置成向单个开关的控制端子传送控制信号。为了从单个开关到两个开关12A和12B改变设计，控制开关62B-62E的布局可以保持相同或类似，但是控制开关62B和62C的负载端子可以连接到控制端子14B，而控制开关62D和62E的负载端子可以连接到控制端子14A。因此，将具有单个开关10的其他装置重新设计成具有一组开关10的装置2。
控制开关组62B和62C可以被配置成从(图5中未示出的)电源电路向控制端子14B导电。控制开关组62D和62E可以被配置成从电源电路向控制端子14A导电。电源电路还可以电连接至输入节点20A和开关12A和12B的高边负载端子。
图6是示出根据本公开内容的一些示例的、图1的装置2的包括被配置成感测通过一组开关10的电流的感测电路的电路图。图6的示例感测电路包括被配置成镜像开关12A的电流密度的感测开关70A以及被配置成镜像开关12B的电流密度的感测开关70B。开关70A和70B两者都可以被配置成传导电流。开关70A和70B两者都可以与感测电阻器72串联电连接，使得通过开关70A和70B的电流流过感测电阻器72。感测电路可以被配置成测量跨感测电阻器72两端的电压来作为通过一组开关10的电流的指示。
图7是示出根据本公开内容的一些示例的、用于控制一组开关的技术100的流程图。技术100参考图1至图6中的装置2进行描述，但是其他部件可以举例说明类似的技术。
图7的技术包括将控制信号18A传送至一组开关10中的开关12A的控制端子14A(102)。一组开关10并联连接，并被配置成将电流从输入节点20A传送至输出节点20B。一组开关10的组合导通时间可以由开关12A的导通时间来限定，这是因为开关12A可以比开关12B更快地导通。由控制信号18A导致的开关12A的导通时间可以短于由控制信号18B导致的开关12B的导通时间。与控制端子14B处的电压的转换速率相比，开关12A由于控制端子14A处的电压的更高的转换速率可以更快地导通。一组开关10的组合导通时间可以被定义为控制信号18A和18B的使能时段的开始与输出节点20B处的电压达到特定电平(例如稳态电压的百分之三十，百分之五十或者百分之七十)之间的时间。
图7的技术还包括在将控制信号18A传送至控制端子14A的同时将控制信号18B传送至一组开关10中的开关12B的控制端子14B。开关12B的宽长比可以大于开关12A的宽长比，使得开关12A的导通电阻可以大于开关12B的导通电阻。因此，一组开关10的组合导通电阻可以由开关12B的导通电阻来限定，使得一组开关10的组合导通电阻可以在开关12B的导通电阻的百分之十、百分之二十或百分之三十以内。
与具有单个开关的其他装置相比，同时向一组开关10传送控制信号18A和18B可能导致类似的转换速率、导通时间和导通电阻。与具有单个开关的其他装置相比，由于控制电路16的更小尺寸，装置2可以具有更小的封装尺寸。另外，通过以更慢的时钟频率操作控制电路16，装置2可以经历更小的EMI。
在一些示例中，装置2可以包括并联连接的第二组开关。装置2还可以包括第二控制电路，该第二控制电路被配置成控制通过第二组开关到第二输出节点的电流。第二组开关可以将通过第二输出节点的电流传送至第二电负载。装置可以将两组开关和两个控制电路包括在单个半导体封装中。第二组开关可以包括具有比第二组开关中的其他开关更大的宽度-长度比和更低的导通电阻的开关。第二组开关中的其他开关可以具有比宽长比更大的开关更低的寄生电容和更快的导通时间。在一些示例中，装置2的两组开关可以从相同的电源电路和/或从输入节点20A接收电力。
以下编号的示例展示了本公开内容的一个或更多个方面。
示例1.一种装置，包括被配置成向装置的输出节点传送电流的一组开关，其中，该组开关包括具有第一控制端子的第一开关和具有第二控制端子的第二开关，其中第二开关的宽长比大于第一开关的宽长比，并且其中第一开关与第二开关并联电连接。该装置还包括控制电路，该控制电路被配置成将第一控制信号传送至第一控制端子并且在将第一控制信号传送至第一控制端子的同时将第二控制信号传送至第二控制端子。
示例2.根据示例1的装置，其中，由第一控制信号引起的第一开关的导通时间短于由第二控制信号引起的第二开关的导通时间。
示例3.根据示例1-2或其任意组合的装置，其中，第一控制端子处的电压的基于第一控制信号的转换速率高于第二控制端子处的电压的基于第二控制信号的转换速率。
示例4.根据示例1-3或其任意组合的装置，其中，第一控制信号的电流幅度等于第二控制信号的电流幅度。
示例5.根据示例1-4或其任意组合的装置，其中，第一开关的导通电阻大于第二开关的导通电阻。
示例6.根据示例1-5或其任意组合的装置，还包括电源电路，其中，第一开关的高边负载端子和第二开关的高边负载端子电连接至电源电路，并且其中，第一开关的低边负载端子电连接至第二开关的低边负载端子。
示例7.根据示例1-6或其任意组合的装置，其中，该组开关是一组功率开关，并且其中，控制电路包括被配置成从电源电路向第一控制端子导电的第一组一个或更多个控制开关。控制电路还包括被配置成从电源电路向第二控制端子导电的第二组一个或更多个控制开关，，其中，电源电路电连接至第一开关的高边负载端子和第二开关的高边负载端子。
示例8.根据示例1-7或其任意组合的装置，其中，输出节点电连接至第一开关的低边负载端子和第二开关的低边负载端子，并且其中，在输出节点处的电流等于通过第一开关的电流与通过第二开关的电流之和。
示例9.根据示例1-8或其任意组合的装置，其中，该组开关是第一组开关，其中，输出节点是第一输出节点，并且其中，控制电路是第一控制电路系统，装置还包括单个半导体封装，该单个半导体封装包括第一组开关，第一控制电路及被配置成将电流传送至装置的第二输出节点的第二组开关。单个半导体封装还包括第二组开关，第二组开关包括具有第三控制端子的第三开关和具有第四控制端子的第四开关，其中第四开关的宽长比大于第三开关的宽长比，其中第三开关与第四开关并联电连接。该装置还包括第二控制电路，第二控制电路被配置成将第三控制信号传送至第三控制端子并且在将第三控制信号传送至第三控制端子的同时将第四控制信号传送至第四控制端子。
示例10.根据示例1-9或及任意组合的装置，其中，第一开关的栅极-漏极电容小于第二开关的栅极-漏极电容。
示例11.根据示例1-10或其任意组合的装置，其中，该组开关的组合导通时间由第一开关的导通时间限定，其中，该组开关的组合导通电阻由第二开关的导通电阻限定。
示例12.根据示例1-11或其任意组合的装置，其中，第一控制信号使第一控制端子处的电压以第一转换速率改变，其中，第二控制信号使第二控制端子处的电压以第二转换速率改变，并且其中，第一转换速率大于第二转换速率。
示例13.一种方法，包括将第一控制信号传送至被配置成将电流传送至输出节点的一组开关中的第一开关的控制端子。该方法还包括：在将第一控制信号传送至第一开关的控制端子的同时将第二控制信号传送至该组开关中的第二开关的控制端子，其中，第二开关的宽长比大于第一开关的宽长比，并且其中，第一开关与第二开关并联电连接。
示例14.根据示例13的方法，其中，由第一控制信号而引起的第一开关的导通时间短于由第二控制信号而引起的第二开关的导通时间。
示例15.根据示例13-14或其任意组合的方法，其中，由第一控制信号而引起的第一控制端子处的电压的转换速率大于由第二控制信号而引起的第二控制端子处的电压的转换速率。
示例16.根据示例13-15或其任意组合的方法，其中，第一开关的导通电阻大于第二开关的导通电阻，并且其中，第一开关的栅极-漏极电容小于第二开关的栅极-漏极电容。
示例17.一种包括单个半导体封装的装置，该装置包括被配置成将电流传送至装置的输出引脚的一组开关，其中该组开关包括第一开关，第一开关包括第一控制端子、第一高边负载端子和第一低边负载端子。该组开关还包括第二开关，第二开关包括第二控制端子、电连接至第一高边负载端子的第二高边负载端子、以及电连接至第一低边负载端子的第二低边负载端子，其中，第二开关的宽长比大于第一开关的宽长比。装置还包括：电源引脚，其电连接至第一高边负载端子和第二高边负载端子；以及输出引脚，其电连接至的第一低边负载端子和第二低边负载端子。装置还包括控制电路，该控制电路被配置成将第一控制信号传送至第一控制端子并且在将第一控制信号传送至第一控制端子的同时将第二控制信号传送至第二控制端子。
示例18.根据示例17的装置，其中，由第一控制信号引起的第一开关的导通时间短于由第二控制信号引起的第二开关的导通时间。
示例19.根据示例17-18或其任意组合的装置，其中，第一开关的导通电阻大于第二开关的导通电阻，并且其中，第一开关的栅极-漏极电容小于第二开关的栅极-漏极电容。
示例20.根据示例17-19或其任意组合的装置，其中，该组开关是一组功率开关，并且其中，控制电路包括被配置成从电源引脚向第一控制端子导电的第一组一个或更多个控制开关。控制电路还包括被配置成从电源引脚向第二控制端子导电的第二组一个或更多个控制开关。
示例21.根据示例17-20或其任意组合的装置，其中，在第一控制端子处的基于第一控制信号的电压转换速率大于在第二控制端子处的基于第二控制信号的电压转换速率。
已经描述了本公开内容的各种示例。设想所描述的系统、操作或功能的任意组合。这些示例及其他示例在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种电力电子装置，包括：
被配置成将电流传送至所述电力电子装置的输出节点的一组功率开关，其中，所述一组功率开关包括：
第一开关，其包括第一控制端子；以及
第二开关，其包括第二控制端子，其中，所述第二开关的宽长比大于所述第一开关的宽长比，并且其中，所述第一开关与所述第二开关并联电连接；
电源电路；以及
控制电路，其包括：
第一组一个或更多个控制开关，其被配置成通过将电力从所述电源电路传导至所述第一控制端子，将第一控制信号传送至所述第一控制端子；和
第二组一个或更多个控制开关，其被配置成在第一组一个或更多个控制开关将所述第一控制信号传送至所述第一控制端子的同时，将第二控制信号传送至所述第二控制端子，
其中，所述第二组一个或更多个控制开关被配置成通过将电力从所述电源电路传导至所述第二控制端子来传送所述第二控制信号，并且其中，所述第一组一个或更多个控制开关和所述第二组一个或更多个控制开关被配置成作为电流镜工作。
2.根据权利要求1所述的电力电子装置，其中，由所述第一控制信号引起的所述第一开关的导通时间短于由所述第二控制信号引起的所述第二开关的导通时间。
3.根据权利要求1所述的电力电子装置，其中，所述第一控制端子处的电压的基于所述第一控制信号的转换速率高于所述第二控制端子处的电压的基于所述第二控制信号的转换速率。
4.根据权利要求1所述的电力电子装置，其中，所述第一控制信号的电流的幅度等于所述第二控制信号的电流的幅度。
5.根据权利要求1所述的电力电子装置，其中，所述第一开关的导通电阻大于所述第二开关的导通电阻。
6.根据权利要求1所述的电力电子装置，其中，所述电源电路被电连接至所述第一开关的高边负载端子和所述第二开关的高边负载端子，其中，所述第一开关的低边负载端子被电连接至所述第二开关的低边负载端子，以及
其中，所述输出节点电连接至所述第一开关的低边负载端子和所述第二开关的低边负载端子，并且其中，在所述输出节点处的电流等于通过所述第一开关的电流与通过所述第二开关的电流之和。
7.根据权利要求1所述的电力电子装置，其中，所述第一开关的栅极-漏极电容小于所述第二开关的栅极-漏极电容。
8.根据权利要求1所述的电力电子装置，其中，所述一组功率开关的组合导通时间由所述第一开关的导通时间限定，其中，所述一组功率开关的组合导通电阻由所述第二开关的导通电阻限定。
9.根据权利要求1所述的电力电子装置，其中，所述第一控制信号使所述第一控制端子处的电压以第一转换速率改变，其中，所述第二控制信号使所述第二控制端子处的电压以第二转换速率改变，并且其中，所述第一转换速率高于所述第二转换速率。
10.根据权利要求1所述的电力电子装置，其中，所述第一组一个或更多个控制开关被配置成传送所述第一控制信号的上升沿，并且其中，所述第二组一个或更多个控制开关被配置成与所述第一组一个或更多个控制开关传送所述第一控制信号的上升沿同时地传送所述第二控制信号的上升沿。
11.根据权利要求1所述的电力电子装置，其中，所述第一组一个或更多个控制开关被配置成传送所述第一控制信号的下降沿，并且其中，所述第二组一个或更多个控制开关被配置成与所述第一组一个或更多个控制开关传送所述第一控制信号的下降沿同时地传送所述第二控制信号的下降沿。
12.一种控制方法，包括：
由第一组一个或更多个控制开关将第一控制信号传送至被配置成将电流传送至输出节点的一组功率开关中的第一开关的第一控制端子，其中，传送所述第一控制信号包括将电力从电源电路传导至所述第一控制端子；和
在将所述第一控制信号传送至所述第一开关的第一控制端子的同时，由第二组一个或更多个控制开关将第二控制信号传送至所述一组功率开关中的第二开关的第二控制端子，其中，传送所述第二控制信号包括将电力从所述电源电路传导至所述第二控制端子，其中，所述第一组一个或更多个控制开关和所述第二组一个或更多个控制开关被配置成作为电流镜工作，其中，所述第二开关的宽长比大于所述第一开关的宽长比，并且其中，所述第一开关与所述第二开关并联电连接。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其中，由所述第一控制信号而引起的所述第一开关的导通时间短于由所述第二控制信号而引起的所述第二开关的导通时间。
14.根据权利要求12所述的控制方法，其中，由所述第一控制信号而引起的所述第一控制端子处的电压的转换速率高于由所述第二控制信号而引起的所述第二控制端子处的电压的转换速率。
15.根据权利要求12所述的控制方法，其中，所述第一开关的导通电阻大于所述第二开关的导通电阻，并且其中，所述第一开关的栅极-漏极电容小于所述第二开关的栅极-漏极电容。
16.一种包括单个半导体封装的装置，所述装置包括：
一组功率开关，其被配置成将电流传送至所述装置的输出引脚，其中，所述一组功率开关包括：
第一开关，其包括：
第一控制端子，
第一高边负载端子，和
第一低边负载端子；以及
第二开关，其包括：
第二控制端子，
第二高边负载端子，其电连接至所述第一高边负载端子，和
第二低边负载端子，其电连接至所述第一低边负载端子，其中，所述第二开关的宽长比大于所述第一开关的宽长比；
电源引脚，其电连接至所述第一高边负载端子和所述第二高边负载端子；
所述输出引脚，其电连接至所述第一低边负载端子和所述第二低边负载端子；以及
控制电路，其包括：
第一组一个或更多个控制开关，其被配置成通过将电力从电源电路传导至所述第一控制端子，将第一控制信号传送至所述第一控制端子；和
第二组一个或更多个控制开关，其被配置成在所述第一组一个或更多个控制开关将所述第一控制信号传送至所述第一控制端子的同时，将第二控制信号传送至所述第二控制端子，其中，所述第二组一个或更多个控制开关被配置成通过将电力从所述电源电路传导至所述第二控制端子来传送所述第二控制信号，并且其中，所述第一组一个或更多个控制开关和所述第二组一个或更多个控制开关被配置成作为电流镜工作。
17.根据权利要求16所述的装置，其中，由所述第一控制信号引起的所述第一开关的导通时间短于由所述第二控制信号引起的所述第二开关的导通时间。
18.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一开关的导通电阻大于所述第二开关的导通电阻，并且其中，所述第一开关的栅极-漏极电容小于所述第二开关的栅极-漏极电容。
19.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一组一个或更多个控制开关被配置成传送所述第一控制信号的上升沿，并且其中，所述第二组一个或更多个控制开关被配置成与所述第一组一个或更多个控制开关传送所述第一控制信号的上升沿的同时传送所述第二控制信号的上升沿。
20.根据权利要求16所述的装置，其中，所述第一组一个或更多个控制开关被配置成传送所述第一控制信号的下降沿，并且其中，所述第二组一个或更多个控制开关被配置成与所述第一组一个或更多个控制开关传送所述第一控制信号的下降沿同时地传送所述第二控制信号的下降沿。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11121704B2 (en) 2018-04-23 2021-09-14 Texas Instruments Incorporated Parallelling multiple power switches
JP7006547B2 (ja) * 2018-09-10 2022-01-24 三菱電機株式会社 半導体装置
US10673432B1 (en) * 2018-12-13 2020-06-02 Texas Instruments Incorporated Delaying turn on time to transistor comparing global, peak current
US11677323B2 (en) * 2020-12-28 2023-06-13 Texas Instruments Incorporated Progressive power converter drive
TWI818574B (zh) * 2021-09-23 2023-10-11 立錡科技股份有限公司 切換電容式轉換器及其開關電路與開關
CN116317483B (zh) * 2023-05-15 2023-08-22 成都市易冲半导体有限公司 电荷泵驱动电路及驱动控制系统

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001016083A (ja) * 1999-06-29 2001-01-19 Taiyo Yuden Co Ltd スイッチング制御方法及びスイッチング回路並びにスイッチング用電子部品及びスイッチング制御用電子部品
US6930473B2 (en) * 2001-08-23 2005-08-16 Fairchild Semiconductor Corporation Method and circuit for reducing losses in DC-DC converters
US6982587B2 (en) * 2002-07-12 2006-01-03 Rambus Inc. Equalizing transceiver with reduced parasitic capacitance
US8680893B2 (en) * 2011-10-05 2014-03-25 Analog Devices, Inc. Circuits and techniques for load current control

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