CN109690951B - 用于功率转换装置的栅极驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种装置包括栅极驱动电路和GaN HEMT开关，其中栅极驱动电路具有栅极驱动输出以响应于栅极控制信号产生栅极驱动信号。所述开关具有通过栅极驱动电阻器被连接到栅极驱动电路的栅极。所述栅极驱动电路包括NPN（或NMOS）接通晶体管和PNP（或PMOS）关断晶体管。所述栅极驱动电路包括被耦合到接通晶体管的、具有第一电阻的接通电阻器和被耦合到关断晶体管的、具有第二电阻的关断电阻器。所述接通和关断晶体管、栅极驱动电阻器、开关器件，但不是接通和关断电阻器被布置在集成电路中以减少栅极驱动环路电感。所述第一和第二电阻可以是不同的，以调整所述开关器件的接通和关断速度。

Description

用于功率转换装置的栅极驱动电路
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年7月21日提交的美国临时申请号no. 62/365,157（‘157申请）的权益，通过引用将‘157申请合并于此，如完全记载在本文中一样。
技术领域
本公开一般地涉及电力电子（power electronics）系统，并且更特别地涉及用于功率转换装置的栅极驱动电路。
背景技术
出于仅提供上下文的目的在下面记载了该背景技术描述。因此，该背景技术描述的任何方面在其不具有其他资格作为现有技术的程度上，既不明确地也不隐含地被承认为是针对本公开的现有技术。
在功率电子电路中，由于在开关过程期间通过驱动器电路控制主题开关器件引起的电应力（electrical stress），所谓的栅极驱动器电路是重要的并且对于设计而言具有挑战性。例如，电压应力在关断过程期间影响主题开关器件，而电流应力在接通过程期间发生。在一些应用中，可以期望和/或实现用于接通（ON）相对于关断（OFF）的不同的开关速度。特别地，开关速度通常确定开关损耗。开关速度越快，开关损耗越低，从而开关频率越高。在另一方面，这意味着在相同的损耗水平处，更快开关速度的半导体产生更高的开关频率，这导致了更小的无源部件，从而导致了更高的功率密度。对于常规的Si IGBT，例如，开关速度可以是大约>100纳秒（ns）来接通/关断，而对于GaN器件，此类值可以降到～10 ns，这意味着开关损耗是常规Si器件的～1/10。这将产生高得多的效率或10倍的更高功率密度。
通过栅极驱动器电路实现的机制涉及控制对开关器件的输入电容进行充电和放电。在理论中，不同的开关速度和接通/关断时间意味着栅极驱动环路的不同的阻抗。
另外，诸如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件之类的宽带隙（wide-bandgap）（WBG）器件正在变得更流行，这归因于它们比常规的硅（Si）器件更高的开关频率能力、更低的开关损耗以及更高的热能力。在增强模式GaN HEMT的情况下，可以理解：寄生电容比针对传统硅器件小得多（例如，～pF水平）。该减少的水平允许更快的开关速度；然而，该特性也需要增加的关注来控制和减少栅极驱动环路电感，以便最小化诸如栅极电压的感应振铃（induced ringing）之类的不期望的副作用。
因此，存在克服本领域中一个或多个问题的需要。
上文的讨论仅旨在说明本领域并且不应当被视为对权利要求范围的否定。
发明内容
与本教导一致的实施例实现了减少栅极驱动环路电感的集成栅极驱动电路和诸如WBG开关器件（例如，GaN HEMT）之类的功率开关器件。该减少具有许多优势，包括至少减少在开关器件栅极终端上的振铃。另外，与本教导一致的实施例提供了例如适合于在功率转换装置中使用的、在调整开关速度（例如，通过允许单独的接通和关断时序调整）中改进的灵活性。
根据本公开的一种装置在实施例中包括栅极驱动电路和诸如GaN HEMT器件之类的宽带隙开关器件。栅极驱动电路具有被配置为响应于被施加到栅极驱动电路的输入的栅极控制信号而产生栅极驱动信号的至少一个栅极驱动输出。宽带隙（WBG）开关器件具有栅极、漏极和源极，其中所述栅极通过栅极驱动电阻器被电连接到栅极驱动电路。漏极和源极可以被配置为被电耦合到负载（例如，和/或源极和/或负载，或其他外部电路，如本领域中已知的那样）。
栅极驱动电路包括从（i）双极结型晶体管（BJT）的对和（ii）CMOS栅极驱动场效应晶体管的对中的一个选择的接通晶体管和关断晶体管。栅极驱动电路还包括被耦合到接通晶体管的、具有第一电阻的接通电阻器和被耦合到关断晶体管的、具有第二电阻的关断电阻器。在实施例中，接通晶体管被布置在电流路径中，用于接通过程，而关断电阻器被布置在电流路径中，用于关断过程。在实施例中，第一电阻可以与第二电阻不同，以调整开关速度。
根据阅读以下描述和权利要求书以及根据回顾附图，本公开的上述及其他的方面、特征、细节、利用和优势将是清楚的。
附图说明
图1是隔离的AC/DC电功率转换器的示意图和框图，其中可以使用根据本教导的栅极驱动电路实施例。
图2是隔离的AC/DC电功率转换器的图解示意图和框图，其中可以使用根据本教导的栅极驱动电路实施例。
图3示出了与图2的基于全桥的AC/DC整流器相关联的开关控制信号的第一集合的简化的时序图。
图4示出了用于控制图2的电网(grid)侧DC/AC转换器和电池侧AC/DC整流器（H-桥）的操作的开关控制信号的第二集合的简化的时序图。
图5是用于确定图4中的开关时序的参数的时序图。
图6A-6B是分别示出了在接通过程期间和关断过程期间的电流流动的栅极驱动电路的简化的等效示意性电路图。
图7是根据本教导的栅极驱动电路实施例的简化示意图。
图8A-8B是分别示出了使用双极结型晶体管（BJT）和CMOS栅极驱动晶体管的其他的栅极驱动电路实施例的简化示意图。
图9是如在集成电路中实现的又一栅极驱动电路实施例的简化示意图和图解视图。
图10-11是分别示出了去往栅极驱动电路中的栅极控制信号和所得栅极驱动信号的时序图。
具体实施方式
本文中将各种实施例描述为各种装置、系统和/或方法。记载了许多具体细节以提供对如在说明书中被描述以及在附图中被图示的实施例的整体结构、功能、制造以及使用的透彻理解。然而，本领域中的技术人员将理解：可以在不具有此类具体细节的情况下实践实施例。在其他实例中，未详细地描述公知的操作、部件和元件以便不模糊在说明书中描述的实施例。本领域中的普通技术人员将理解：本文中描述和示出的实施例是非限制性示例，并且因此可以理解，本文中公开的具体结构和功能的细节可以是有代表性的，并且不一定限制实施例的范围，其范围仅由所附权利要求书限定。
遍及说明书对“各种实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”或“实施例”或诸如此类的引用意味着结合实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在遍及说明书的位置中的短语“在各种实施例中”、“在一些实施例中”、“在一个实施例中”或“在实施例中”或诸如此类的出现不一定都指代相同的实施例。而且，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式被组合在一个或多个实施例中。因此，可以没有限制地将结合一个实施例图示或描述的特定的特征、结构或特性整体或部分地与一个或多个其他实施例的特征、结构或特性组合，只要这种组合不是不合逻辑的或不起作用的。
本教导涉及可以被有用地应用到多种多样的应用的改进的栅极驱动电路，包括仅例如，如通过参考标题为“ELECTRIC POWER CONVERSION APPARATUS HAVING SINGLE-PHASEAND MULTI-PHASE OPERATION MODES”的2016年6月30日提交的美国申请no.15/198,887（‘887申请）所见的高频率功率转换器，通过引用将所述‘887申请合并于此，如完全记载在本文中一样。
在结合图6-图10进行改进的栅极驱动电路的详细描述之前，首先将记载示例性功率转换装置的简要描述，其中可以使用本栅极驱动电路的实施例。
现在参考附图，其中相同的附图标记被用于标识在各种视图中的相同或类似的部件，图1是隔离的AC/DC电功率转换装置20（在下文中为“转换装置”）的简化示意图和框图。如在图6-图10中详细描述的那样，图1-图2的转换装置20可以采用改进的栅极驱动电路和/或集成栅极驱动电路/开关。这种栅极驱动电路的实施例可以提供关于开关速度灵活性的改进的灵活性。在其他的实施例中，栅极驱动电路和WBG开关器件（例如，GaN HEMT）的增加的集成水平可以减少栅极驱动环路电感，这继而可以减少栅极终端上的振铃以及其相关的副作用。
在图示的实施例中，转换装置20被耦合到AC输入功率源22并且具有被配置为使电网侧电流平滑的输入电感器24。转换装置20还被配置为在输出节点26上输出可以用于为可再充电电池27充电的DC电压信号，所述可再充电电池27仅例如诸如电动车（EV）电池。电池27被示出为包括电池电压源部分28（有时在本文中被称作或/>）以及电池电阻30（有时在本文中被称作/>）。AC源22（AC功率源）被配置为以指定的AC输入电压电平提供AC输入电流。AC源22可以是用于建筑物的主AC电源或者电系统或者在整体较大的AC电功率电网（在下文中有时被称作电网功率、电网电压、电网侧等）之内提供的诸如此类。AC源22可以是单相或多相的（例如，3-相）。取决于位置，AC源22可以以60 Hz输出120伏特或240伏特、以50Hz输出110伏特或220伏特或者以50 Hz输出380-480伏特（3-相功率）。可再充电电池27的电压/>可以标称在大约200-500 VDC之间。在实施例中，转换装置20可以具有大约360 V的输出电压。
转换装置20包括两个主要级，其中第一级32包括AC/AC转换器34并且第二级36包括AC/DC整流器38。所述级被电隔离但是通过具有初级绕组42和次级绕组44的变压器40耦合。
第一级32可以包括作为AC/AC转换器34的间接矩阵转换器（MC），并且可以包括用于构建如本领域中已知的间接矩阵转换器（MC）的常规方法。然而，应当理解，转换器34可以包括真正的矩阵转换器。间接矩阵转换器类型的AC/AC转换器34具有最小能量存储要求，其例如通过将本领域中已知的三个级（参见背景技术）向下合并为两个级，并且如通过参考2016年7月01日提交的美国专利申请no.14/789,412（在下文中为‘412申请，其标题为“ELECTRIC POWER CONVERSION APPARATUS”）所见的那样，消除了对于体积大（bulky）且寿命有限的储能电容器的需要并且展现了改进的效率，通过引用将所述‘412申请合并于此，如完全记载在本文中一样。消除DC总线电容器也可以增加整体装置的功率密度。
图2示出了表征间接矩阵转换器的被指定为20a的电功率转换装置。转换装置20a包括两个主要级，即，包括间接矩阵转换器形式的AC/AC转换器的第一级32和包括AC/DC整流器部分36的第二级36。
在输入（电网）侧，图2示出了AC（电网）源22，所述AC（电网）源22可以是单相、60Hz、120伏特交流（AC）电压信号或者替代地是单相50 Hz AC信号或多相（例如，3-相）交流（AC）源。在输出（电池）侧，图2示出了具有电池电阻的可再充电电池/>
第一级32包括输入电感器24（有时被称作“L”）、间接矩阵转换器、耦合电感器以及包括初级绕组42和次级绕组44的变压器40。
输入电感器24与AC源22串联地电耦合并且被配置为使关于AC源22的电网侧电流平滑。电感器24的大小将取决于平滑的程度和开关频率。在实施例中，电感器24可以是大约10微亨。
在实施例中，间接矩阵转换器包括全桥整流器66（AC/DC转换器）、被指定为的滤波电容器以及DC/AC全桥转换器68。间接矩阵转换器被配置用于AC/AC转换并且还包括被配置为从AC源22接收第一AC信号的输入接口和被配置为产生第二AC信号的输出接口。如图2中所示，间接矩阵转换器的输入接口通过电感器24耦合到AC源22的两侧。间接矩阵转换器的输出接口通过耦合电感器/>耦合到初级绕组42的两端。
全桥整流器66构成了用于在节点74处整流第一交流（AC）输入信号（即，其以例如60Hz的第一电网频率呈现）并且在节点76处产生第一整流的输出信号的装置。第一整流的信号包括第一直流（DC）分量。整流器66可以包括以全桥配置布置的并且以电网频率操作的被指定为M1、M2、M3、M4的四个半导体开关。开关M1、M2、M3、M4可以包括诸如MOSFET或IGBT器件之类的本领域中已知的常规半导体开关。在实施例中，开关M1、M2、M3、M4可以包括在来自STMicroelectronics,Coppell,Texas,USA的贸易名称和/或零件编号STY139N65M5之下提供的N-沟道功率MOSFET。
电容器跨整流器66的输出被连接在节点76和接地节点78之间。电容器/>依大小被配置为过滤来自节点76处的整流的信号的高频谐波（例如，相对小：/>水平）。应当理解，/>不被用于能量存储，而是出于滤波目的被使用，并且因此不是大的、体积大DC-总线电容器，因为对于DC-总线电容器可以在毫法级别/>的常规的3-级转换器而言是典型的。/>的此减少的大小可以增加功率密度并且延长转换装置20a的使用寿命。
DC/AC转换器68被电连接到整流器66的输出（即，跨节点76、78连接）。DC/AC转换器68被配置为将节点76上的第一DC（整流的）信号转换成第二AC信号。如图示的那样，DC/AC转换器68可以包括被指定为S1、S2、S3、S4并且以全桥配置布置的、以第二频率，即，开关频率操作的四个半导体开关。第二开关频率/>一般比第一电网频率高得多。在实施例中，第二开关频率可以在大约135 kHz到500 kHz之间的范围中，而第一电网频率可以是60 Hz（或50Hz）。半导体开关S1、S2、S3、S4可以包括本领域中已知的商用部件，仅例如，GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）器件，诸如在来自GaN Systems Corp., Ann Arbor,Michigan,USA的贸易名称和/或零件编号GS66516T之下提供的增强模式GaN晶体管。
电感器在DC/AC转换器68和初级绕组42之间串联电连接。
变压器40构成了电隔离器件并且包括初级绕组42和电隔离且磁耦合的次级绕组44。如已知的那样，通过次级绕组和初级绕组之间的匝数比（turn ratio）表征变压器40。
转换装置20a的第二级36包括AC/DC转换器70和被指定为的输出电容器。
AC/DC转换器70电连接到变压器40的第二绕组44并且被配置为将在次级绕组44上感应的AC信号转换或整流成输出节点80上第二整流的输出信号。来自单相转换器件20a的在输出节点80上产生的输出信号具有DC分量和至少一个AC分量，其中至少一个AC分量包括电网频率的二阶谐波（例如，针对60 Hz电网频率的120 Hz分量）。
在图示的实施例中，AC/DC转换器70可以包括以有源H-桥（全桥）开关布置70布置的、被指定为S5、S6、S7、S8的四个半导体开关。在实施例中，控制H-桥开关布置70以上述开关频率操作（即，控制开关S1～S8以相同的开关频率/>操作）。半导体开关S5、S6、S7、S8可以包括商用部件，例如，GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）器件，诸如在来自GaN Systems Corp.,Ann Arbor,Michigan,USA的贸易名称和/或零件编号GS66516T之下提供的增强模式GaN晶体管。
输出电容器在输出节点80和输出接地节点82之间跨H桥70的输出连接并且依大小被配置为过滤来自节点80处的输出信号的高频谐波（例如，相对小：/>水平）。在实施例中，电容器/>可以是大约100/>。
转换装置20a还包括被配置为实现用于转换装置20a的操作的期望的控制策略的电子控制单元46（在下文中为控制器46）。控制器46包括处理器48和存储器50。处理器48可以包括处理能力以及输入/输出（I/O）接口，通过所述输入/输出（I/O）接口，处理器48可以接收多个输入信号并且生成多个输出信号（例如，针对开关M1～M4和S1～S8的栅极驱动信号）。提供存储器50用于数据以及用于处理器48的指令或代码（例如，软件）的存储。存储器50可以包括各种形式的非易失性（即，非暂时性）存储器和/或易失性存储器，所述非易失性存储器包括闪存或包括各种形式的可编程只读存储器（例如，PROM、EPROM、EEPROM）的只读存储器（ROM）；所述易失性存储器包括包含静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）和同步动态随机存取存储器（SDRAM）的随机存取存储器（RAM）。
虽然在图2中未示出，但是转换装置20a还可以包括驱动器电路以在控制器46的输出和半导体开关的栅极终端之间对接。在实施例中，此类栅极驱动器件/电路可以包括商用部件，诸如本领域中已知的商用芯片，例如，在来自IXYS Corporation，Milpitas，California，USA的零件编号IXD_614之下可用的栅极驱动芯片。然而，在与本教导相一致的其他实施例中，可以使用结合图6-图10、特别地结合上述GaN开关器件在下面描述的改进的栅极驱动电路。
存储器50以主控制逻辑51的形式存储可执行代码，所述主控制逻辑51被配置为根据期望的控制策略来控制转换装置20a的操作。主控制逻辑51当由处理器48执行时被配置为响应于一个或多个输入信号生成用于开关M1～M4和S1～S8的各种栅极驱动信号。主控制逻辑51可以包括编程的逻辑块以实现具体功能，所述具体功能包括但不限于整流器逻辑58、功率因子校正（PFC）逻辑60、零电压开关（ZVS）逻辑62以及可选地有源滤波器占空比（duty cycle）控制逻辑64，如通过参考标题为“ELECTRIC POWER CONVERSION APPARATUSHAVING SINGLE-PHASE AND MULTI-PHASE OPERATION MODES”的2016年6月30日提交的美国申请no. 15/198,887（‘887申请）所见的那样，通过引用将所述‘887申请合并于此，如完全记载在本文中一样。
电网整流器逻辑58被配置为生成针对整流器66的开关M1～M4的栅极驱动信号。为了完成此，转换装置20a可以包括被配置为输出包括极性（即，正的或负的）的指示电网电压的信号的电网电压传感器52（以框的形式被示出）。电压传感器52可以被布置在电网侧（即，电连接到AC源22），以监视电网电压。在实施例中，电网电压传感器52可以包括本领域中已知的常规部件。
图3示出了由控制器46的电网整流器逻辑58产生的栅极驱动信号（即，开关控制信号）的时序图。基于M1～M4的H-桥整流器66将电网AC电压整流成DC电压。M1～M4的开关频率与电网电压相同（例如，50～60Hz）。注意到，通过检测电网电压的极性来控制M1～M4。因此，当电网电压是正的时，M1和M4被接通（即，M1和M4的是高的）。当电网电压是负的时，则M2和M3被接通。针对开关M1和M4的栅极驱动信号一致地操作，而开关M2和M3一致地操作。另外，M1M4的组合与M2M3的组合互补。总之，开关M1～M4都是按照电网电压传感器52输出的零转变以例如60Hz的电网频率工作的有源开关。
再次参考图2，功率因子校正（PFC）控制逻辑60一般被配置为以这样的方式管理开关S1～S8的操作（即，传导（conduction）或非传导），从而控制来自AC源22的瞬时电流，以便与AC源22的瞬时电压同相。为了实现一致（unity）或接近一致的功率因子（即，电网侧电压和电流同相的情况），转换装置20a包括电网电流传感器54。在实施例中，电流传感器54被配置为确定通过电感器24的电流并且向控制器46提供指示从AC源22汲取电流的水平的信号。因此，该信号是电网电流指示信号。在实施例中，控制器46通过PFC逻辑60通过控制针对开关S1～S8的栅极驱动信号实现了功率因子校正。这将在下面更详细地描述。电网电流传感器54可以包括本领域中已知的常规部件。
零电压开关（ZVS）逻辑62一般被配置为以这样的方式管理开关S1～S8，使得它们优选地以零或接近零电压被接通和关断。一般而言，为了维持用于开关接通的零电压开关，在接通动作之前，电流应当从源极反向流动到漏极，这使得开关电压降到零。因此，在开关接通期间，开关仅承担电流改变，而届时（then-prevailing）跨开关的漏极到源极的电压始终接近于零，这继而消除了接通损耗，从而达到ZVS接通。为了更多信息，可以做出对于2015年6月19日提交的美国申请no. 14/744,988（在下文中为‘988申请，其标题为“GATE DRIVECIRCUIT ”）的参考，通过引用将所述‘988申请合并于此，如完全记载在本文中一样。
图4示出了在单个开关频率实施例中控制开关S1～S8的操作的栅极驱动信号（即，开关控制信号的第二集合）的时序图。在图示的实施例中，将以具有50%占空比的相同的开关频率操作S1～S8。为了实现高系统功率密度，开关频率/>应当尽可能地高。针对S1和S2、S3和S4、S5和S6以及S7和S8的栅极驱动信号是互补的。主控制逻辑51被配置为在针对S5和S7的栅极驱动信号之间引入相移。包括开关频率/>以及在S5和S7之间的确定的相移的多个因素一起确定了从变压器40的初级侧被转移到次级侧的功率。换言之，上述因素提供了两个（2）自由度来控制转移的功率。同时，为了实现ZVS，S5到S7的相移必须落入还将开关频率/>限制到某个值的某个范围中。在图4中，也以与开关S1～S8的状态的时序关系示出了的通过电感器/>的电流。
与PFC逻辑60和ZVS逻辑62符合的主控制逻辑51确定了在图4-图5中被指定为和/>的至少两个参数。/>参数对应于S2和S8下降沿之间的时间延迟，而参数对应于S1和S6下降沿之间的时间延迟。如在图4中被图形化示出的那样，S5到S7的相移被限定在/>和/>之间。
图5是示出了上述和/>参数的波形的时序图，所述/>和/>参数是由控制器46用于确定S5和S7之间的相移的两个参数。参数/>对应于开关频率/>。
在实施例中，控制器46执行主控制逻辑51，其中同时实现了整流器逻辑58、PFC逻辑60和ZVS逻辑62的功能。就这一点而言，可以通过控制器46根据等式（1）来确定参数：
等式（1）
其中是转换器20a的电网侧（即，输入节点74—图2）的测量的电压，/>是节点80处的转换器的测量的输出电压，以及/>是变压器40的匝数比（即，/>，其中/>是次级匝数的数量以及/>是初级匝数的数量）。等式（1）中的参数/>由系统设计者确定以实现ZVS开关。在实施例中，/>，其中/>和/>的函数被记载在下面的等式（2）和等式（3）中：
等式（2）
等式（3）
其中通过最小无功能量（reactive energy ）确定的以实现零电压开关（ZVS）并且/>是用于实现ZVS的最小电流，/>是在初级侧的串联电感（其在图2中被表示为/>），以及/>是系统最大开关频率。在上面限定了变量/>和/>。
另外，通过控制的变量（相对于的瞬时转移的功率）的单调区间来确定参数。
在操作中，控制器64在操作期间实时地变化开关频率。换言之，执行主控制逻辑51（以及上述从属逻辑模块）的控制器64在实时操作期间变化S1～S8的操作开关频率。首先，开关S1～S8的开关频率（即，/>或有时在本文中被称作/>）与参数/>一起确定瞬时功率。另外，通过如上所述的/>来定义参数/>。因此，如在下面的等式（4）中，通过瞬时功率和/>确定开关频率/>：
另外，应当理解，ZVS实现可以限制开关频率。就这一点而言，和/>参数一起确定了转移的功率。通过ZVS确定/>参数，并且通过需要的转移的功率和/>参数（或ZVS）来确定开关频率。另外，功率因子校正（PFC）需要：从变压器的初级侧被转移到变压器的次级侧的功率与输入AC电压同相,如上面描述的通过/>和/>参数一起确定的那样。
栅极驱动电路。图6A-6B是分别示出了在接通过程和关断过程期间的电流流动的栅极驱动电路的简化的等效电路图。驱动功率开关的基本机制是使用相应的驱动器电容器为开关器件的输入电容充电或放电（即，作为功率源）。
图6A示出了功率开关器件84，具有与其关联的栅极86、漏极88和源极90。电容、以及/>也被示出并且与器件84关联；然而，这些不是单独的部件，而是器件本身的特性—部分地归因于其构造。使用以推挽式（push-pull）布置连接的接通晶体管/>和关断晶体管/>对栅极驱动电路建模，所述推挽式布置被栅极驱动信号92控制。图6A还示出了电容器/>和/>，所述电容器/>和/>由单独的功率源（未示出）充电并且在栅极驱动机构中被用来为栅极输入电容充电和放电。最后，图6A示出了在栅极驱动电路的输出（即，/>和的发射极之间的公共节点）和开关器件84的栅极86之间耦合的栅极驱动电阻器/>。图6A以粗实线示出了关断过程期间的电流路径。如可以看见的那样，该路径包括栅极电阻器、器件/>、关断晶体管/>以及关断源/>。除了对于接通过程期间的电流路径的图示之外，该电路基本上被复制在图6B中。如可以看见的那样，该路径也包括栅极电阻器/>和器件/>，但是不同之处在于它替代地包括接通晶体管/>以及接通源/>。由于不同的电流路径，理论中可以存在（一个或多个）不同的开关速度，这继而意味着栅极驱动环路的（一个或多个）不同的阻抗。
图7是根据本教导的实施例的简化示意图。该实施例提供了在更改用于关断和接通过程的不同的环路方面的灵活性，这继而更改了时序、开关速度等。提供了一种装置100a，其适合于功率开关应用并且包括栅极驱动电路102a。栅极驱动电路102a被配置为通过包括在上面结合图6A-6B描述的相应的充电和放电电流路径中布置的接通电阻器和单独的、潜在具有不同值的关断电阻器/>来提供单独的接通和关断输出时序（速度）。
继续参考图7，装置100a包括栅极驱动电路102a和宽带隙（WBG）开关器件104a，所述宽带隙（WBG）开关器件104a诸如上面提到的GaN HEMT器件（例如，可以包括例如在来自GaN Systems Corp., Ann Arbor,Michigan,USA的贸易名称和/或零件编号GS66516T之下提供的增强模式GaN晶体管的商用部件）。
栅极驱动电路102a包括被配置为响应于被施加到栅极驱动电路的输入节点的栅极控制信号108在其上产生至少一个对应的栅极驱动信号的至少一个栅极驱动输出106（即，在图7中示出的、被指定为1061和1062的两个）。栅极驱动电路102a还可以包括功率源的对，诸如被指定为和/>的电容器的对。可以提供单独的电路（未示出）为这些栅极驱动器电容器110、112充电。电容器/>和/>被配置为根据图示的极性提供相应的接通和关断电压。
开关器件104a包括栅极114、漏极116和源极118，其中栅极114在图示的实施例中通过栅极驱动电阻器的对，即，接通电阻器112（也被指定为）和单独的、潜在具有不同值的关断电阻器112（也被指定为/>）电连接到栅极驱动电路102a。漏极116和源极118可以被配置为电耦合到为了简单起见以框图的形式被示出为负载124的一个或多个外部电路（例如，一个或多个源、一个或多个负载）。然而，应当理解：负载124可以以本领域中已知的多种不同的方式耦合到装置100a，其包括被合并到诸如结合图1-图5被示出和描述的内容之类的功率转换装置。
栅极驱动电路102a可以包括推挽式晶体管电路126，所述推挽式晶体管电路126至少包括从（i）双极结型晶体管（BJT）的对和（ii）CMOS栅极驱动场效应晶体管的对中的一个选择的接通晶体管128和关断晶体管130/>。在图示的实施例中，接通晶体管128可以包括NPN类型的双极结型晶体管，而关断晶体管130/>可以包括例如以发射极跟随器（emitter follower）布置电连接的PNP类型的双极结型晶体管。替代地，接通晶体管128/>可以包括NMOS类型的晶体管，而关断晶体管130/>可以包括PMOS类型的晶体管。
在图示的实施例中，接通电阻器122可以具有第一电阻并且被示出为耦合在接通晶体管128和栅极114之间，而关断电阻器122/>可以具有第二电阻并且被示出为耦合在关断晶体管130和栅极114之间。第一电阻的值可以与第二电阻不同，使得开关器件104a的接通（上升）时间可以与开关器件104a的关断（下落）时间不同。应当注意，接通过程的电流路径包括Ron（但不是Roff）、/>（图7中未示出）、/>和/>。还应当注意，关断过程的电流路径包括Roff（但不是Ron）、/>（图7中未示出）、/>和/>。上述布置提供了可以运用将（一个或多个）接通和关断速度控制成不同的改进的灵活性。
然而，当将图7的栅极驱动电路与例如WBG开关器件（例如，GaN HEMT）组合使用时，接通/关断电阻器120、122将典型地被布置在（一个或多个）BJT晶体管电路和GaN HEMT之间，这典型地可以从GaN HEMT分离或增加BJT电路的物理分离（physical separation）。对于常规的硅开关，此类分离通常将不影响开关性能。然而，对于诸如GaN HEMT之类的非常快速开关器件，期望将栅极驱动环路收缩到可能的最大程度（例如，以可能的最大程度来减少栅极驱动环路电感）。
图8A-8B是在设置相应的接通和关断速度中展现上述灵活性，但是另外将功率开关器件104与栅极驱动电路12集成从而减少栅极驱动环路，由此减少栅极驱动环路电感的其他实施例的简化示意图。
图8A示出了除了如下面描述的之外与图7的装置100a相同的装置100b。图8A中使用了如在图7中曾被使用的类似的附图标记，但是其附带了后缀“b”而不是后缀“a”。图8A示出了GaN开关器件104b，所述GaN开关器件104b可以与上面图7中描述的相同并且附加地示出了与器件104b本身关联的电容、/>以及/>；然而，这些不是单独的部件，而是器件本身的特性—部分地由于其构造。另外，接通和关断晶体管被示出为BJT器件128b、130b，其中器件128b是NPN类型的BJT并且器件130b是PNP类型的BJT。
在栅极驱动电路102b的输出节点106b和GaN器件104b的栅极114之间提供了单个栅极驱动电阻器132。提供了每个具有相应的第一和第二电阻值的接通电阻器134和单独的关断电阻器136/>。接通电阻器134/>被布置在接通晶体管128b的集电极和栅极驱动器电容器（功率源）110的正终端之间。关断电阻器136/>被布置在关断晶体管130b的集电极和驱动器电容器（功率源）112的负终端之间。应当理解，就如图7中那样，接通过程的电流路径包括Ron（但不是Roff）、Rg、/>（图7中未示出）、/>和/>。还应当注意，关断过程的电流路径包括Roff（但不是Ron）、Rg、/>（图7中未示出）、/>和/>。上述布置提供了可以被运用将（一个或多个）接通和关断速度控制成不同的改进的灵活性。
然而，不同于图7的实施例，接通和关断晶体管128b、130b、开关器件104b以及栅极驱动电阻器132都被集成在仅例如相同的集成电路（IC）之内，这可以通过至少在需要的电互连的距离的减少来显著地减少栅极驱动环路电感。换言之，图8A的实施例将Qon、Qoff、Rg以及GaN HEMT集成在一起来实现芯片上的IC，显著地收缩了栅极驱动环路电感。
应当理解，接通和关断电阻器134、136可以被放置在集成电路/封装的外部，以从而允许系统设计者选择用于电阻器134、136的期望的值，以从而如上面描述的那样调整（一个或多个）开关速度。在该实施例中实现的效果与图7类似；然而，图8A的实施例实现了更高水平的系统集成。
除了诸如NMOS和PMOS类型的场效应晶体管之类的CMOS栅极驱动类型的晶体管128c、130c的分别使用之外，图8B与图8A相同。在图8B的实施例的上下文中，除了包括附带后缀“c”而不是如图8A中的附带后缀“b”的那些附图标记之外，附图标记与图8A中的附图标记相同。
图9是根据其他实施例的装置100d的示意图和图解视图。装置100d可以除了如下所述之外与装置100b和100c相同。就这一点而言，装置100d的接通晶体管128d、关断晶体管130d（/>）、开关器件104d（例如，GaN HEMT）以及栅极驱动电阻器138被形成在半导体管芯或基板140上并且一起被集成在集成电路/封装中。与装置100b、100c一样，可以分别使用（i）诸如NPN BJT和PNP BJT之类的双极结型晶体管或（ii）诸如NMOS FET和PMOS FET之类的CMOS栅极驱动场效应晶体管中的一个来实现接通晶体管128d和关断晶体管130d。而且，如所示的那样，可以布置栅极驱动电阻器138，从而将晶体管128d、130d的连接的发射极直接地电连接到开关器件104d的栅极114。该布置减少了连接距离并且还减少和/或消除了其间的金属连接量，从而减少栅极驱动环路的电感。图9附加地示出了被图示为被施加到晶体管128d、130d的公共连接的基极终端的（例如，由控制器46—图2产生的）诸如脉冲宽度调制（PWM）信号之类的栅极控制信号142。这将是
图10-图11是示出了栅极控制信号和所得栅极到源极信号的时序图。特别地，图10示出了包括至少关断状态144和接通状态146的栅极控制信号142。在实施例中，接通状态146当被认定时，被配置为接通例如开关器件104d的目标开关，而关断状态144当被认定时，被相反地配置为关断目标开关104d。如图9中所示，栅极控制信号142被施加到栅极驱动电路26d的输入。
图11沿着时间轴与图10对准并且示出了所得开关器件栅极到源极电压。在栅极控制信号142被认定的时间和器件输入电容/>的充电开始的时间之间存在时间延迟148/>。该延迟可以至少部分地归因于接通晶体管和传导开始之前的滞后。此后，栅极到源极电压/>在对应于通过/>和/>为输入电容/>充电所花费的时间的时间段150/>上经历了电压上升。当栅极控制信号142被解除认定时，还存在至少部分地归因于用于接通晶体管128d到关断和关断晶体管130d到接通以及开始放电的时间的延迟152/>。此后，存在时间段154/>，其中/>从足以使得开关器件104d传导的高水平落到足以关断开关器件104d的减少的水平。时间段154对应于通过/>经过/>和/>将/>放电的时间。应当理解，在WBG开关器件，特别是GaN HEMT器件的情况下，负的栅极到源极电压可以是优选的，以便切断（shut off）开关。因而，例如，如图9中所示，使用负极性源112（例如，电容器）不但将放电，而且优选地将/>负（negatively）充电，使得/>变为负的，从而确保GaN HEMT器件的可靠的（solid）切断。
在实施例中，仅例如，可以是10 ohm，/>可以是1 ohm以及/>可以是1 ohm。然而，应当理解：本教导的优势是灵活性，并且/>、/>和/>的实际值可以取决于任何特定应用的时序/速度异议（objection）而显著地变化。
与本教导一致的实施例实现了减少栅极驱动环路电感的集成的栅极驱动电路和诸如WBG开关器件（例如，GaN HEMT）之类的功率开关器件。这具有包括至少减少开关器件栅极终端上的振铃的多个益处。这将减少栅极环路电感，并且同时允许用户通过自由地改变Ron和Roff值来调整开关速度，特别是针对对于外部环路电感非常敏感的GaN器件。因此，与本教导一致的实施例例如通过允许单独的接通和关断速度提供了在调整（一个或多个）开关速度中的改进的灵活性。
应当理解：如本文中描述的电子控制单元可以包括能够执行被存储在关联的存储器中的预编程指令的本领域中已知的常规处理装置、所有执行根据本文中描述的功能性。就本文中描述的方法被体现在软件中的程度，得到的软件可以被存储在关联的存储器中并且还可以构成用于执行此类方法的装置。鉴于前文的使能描述，在软件中这样被完成的某些实施例的实现将需要不超过通过本领域中技术人员的编程技能的常规（routine）应用。这种电子控制单元还可以是具有ROM、RAM两者、非易失性和易失性（可修改的）存储器的组合的类型，使得任何软件可以被存储并且还允许动态产生的数据和/或信号的存储和处理。
虽然已经以一定程度的特殊性在上面描述了仅某些实施例，但是本领域中的技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下对公开的实施例做出许多改变。意图是：被包含在上面描述中或者在附图中被示出的所有事物应当被解释为仅是说明性而不是限制性的。在不脱离如所附的权利要求书中限定的本发明的情况下可以做出细节或结构的改变。
声称通过引用被合并于本文中的全部或部分的任何专利、出版物或其他公开材料仅被合并于此到合并的材料不与本公开中记载的现有定义、声明或其他公开材料相冲突的程度。这样，并且到必要的程度，如在本文中明确记载的本公开取代了通过引用被合并入本文中的任何冲突材料。声称通过引用被合并于本文中但是与本公开中记载的现有定义、声明或其他公开材料相冲突的任何材料或其部分仅将被合并到在合并的材料与现有的公开材料之间不出现冲突的程度。
虽然已经示出和描述了一个或多个特定的实施例，但是本领域中的技术人员将理解，可以在不脱离本教导的精神和范围的情况下做出各种改变和修改。

Claims (17)

1.一种功率转换装置，包括：
栅极驱动电路，其具有被配置为响应于在其输入上的栅极控制信号在栅极驱动输出上产生栅极驱动信号的至少一个所述栅极驱动输出；
宽带隙WBG开关器件，其具有栅极、漏极和源极，其中所述WBG开关器件的所述栅极通过栅极驱动电阻器电连接到所述栅极驱动电路，所述漏极和所述源极被配置为电耦合到负载；
其中，所述栅极驱动电路包括推挽式晶体管电路，所述推挽式晶体管电路包括从（i）双极结型晶体管BJT的对和（ii）CMOS栅极驱动场效应晶体管的对之一选择的至少接通晶体管和关断晶体管，所述栅极驱动电路包括被耦合到所述接通晶体管的负载路径的、具有第一电阻的接通电阻器和被耦合到所述关断晶体管的负载路径的、具有第二电阻的关断电阻器，
其中所述接通晶体管、所述关断晶体管、所述栅极驱动电阻器和所述WBG开关器件形成在公共基板上，所述接通电阻器和所述关断电阻器不被布置在所述公共基板上，所述公共基板被布置在集成电路封装中。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述接通晶体管和所述关断晶体管分别包括NPN晶体管和PNP晶体管，以发射极跟随器配置布置所述NPN晶体管和所述PNP晶体管，其中所述NPN晶体管的第一发射极在限定所述栅极驱动输出的公共节点处连接到所述PNP晶体管的第二发射极。
3.根据权利要求2所述的装置，其中公共节点直接地连接到所述栅极驱动电阻器。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述栅极驱动电阻器直接地连接到所述WBG开关器件的所述栅极。
5.根据权利要求2所述的装置，其中所述接通电阻器电连接在所述NPN晶体管的集电极终端和功率源之间。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述功率源包括正极性功率源。
7.根据权利要求2所述的装置，其中所述关断电阻器电连接在所述PNP晶体管的集电极终端和功率源之间。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述功率源包括负极性功率源。
9.根据权利要求2所述的装置，其中所述NPN晶体管和所述PNP晶体管的相应栅极终端电连接在输入节点处，所述输入节点对所述栅极控制信号施加在其上的所述栅极驱动电路输入进行限定。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述WBG开关器件包括高电子迁移率晶体管HEMT。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述HEMT包括GaN高电子迁移率晶体管HEMT器件。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述栅极控制信号包括脉冲带宽调制PWM信号。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述接通晶体管和所述关断晶体管各自包括NMOS和PMOS场效应晶体管。
14.根据权利要求1所述的装置，还包括电子控制单元，所述电子控制单元被配置为根据零电压开关ZVS策略来控制所述栅极驱动电路。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述电子控制单元被配置为当将所述栅极驱动信号从关断状态转变到接通状态时根据所述ZVS策略来控制所述栅极驱动电路。
16.根据权利要求1所述的装置，其中在桥电路中使用所述栅极驱动电路和所述WBG开关器件。
17.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电阻与所述第二电阻不同，使得所述WBG开关器件的接通速度与所述WBG开关器件的关断速度不同。
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