CN109936288A - 最小化同步转换器中的体二极管传导 - Google Patents

最小化同步转换器中的体二极管传导 Download PDF

Info

Publication number
CN109936288A
CN109936288A CN201811427677.8A CN201811427677A CN109936288A CN 109936288 A CN109936288 A CN 109936288A CN 201811427677 A CN201811427677 A CN 201811427677A CN 109936288 A CN109936288 A CN 109936288A
Authority
CN
China
Prior art keywords
switch
body diode
electronics
synchronous
converter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811427677.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109936288B (zh
Inventor
权东远
约书亚·威廉·考德威尔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Analog equipment International Co.,Ltd.
Original Assignee
Lingliert Technology Holding Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lingliert Technology Holding Co Ltd filed Critical Lingliert Technology Holding Co Ltd
Publication of CN109936288A publication Critical patent/CN109936288A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109936288B publication Critical patent/CN109936288B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1582—Buck-boost converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1588—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load comprising at least one synchronous rectifier element
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/38—Means for preventing simultaneous conduction of switches
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P7/00—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
    • H02P7/06—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current
    • H02P7/18—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power
    • H02P7/24—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices
    • H02P7/28—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
    • H02P7/285—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only
    • H02P7/29—Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors for regulating or controlling an individual dc dynamo-electric motor by varying field or armature current by master control with auxiliary power using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices controlling armature supply only using pulse modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0051—Diode reverse recovery losses
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/38—Means for preventing simultaneous conduction of switches
    • H02M1/385—Means for preventing simultaneous conduction of switches with means for correcting output voltage deviations introduced by the dead time
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
    • H02P6/085—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor in a bridge configuration
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

同步转换器包括电源、电感器、输出端子和控制电路。控制电路可包括：电子激励开关，当激活时将能量从电源递送到导体；电子去激励开关，当激活时从所述电感器向所述输出端子递送能量，所述电子去激励开关包括体二极管；和电子下拉开关，当激活时关闭所述电子去激励开关，重新定向流经所述电子去激励开关的体二极管的电流，并从所述电子去激励开关的体二极管中除去电荷。电子激励开关和电子去激励开关永远不可同时激活。

Description

最小化同步转换器中的体二极管传导
技术领域
本公开涉及同步转换器，包括同步升压转换器、同步降压-升压转换器和同步H桥转换器。
背景技术
同步转换器，例如同步升压转换器、同步降压-升压转换器和同步H桥转换器，可以使用受控的激励开关将受控量的能量传递到电感器和受控的断电开关以进行传输。从电感器通过输出端子进入负载的受控量的能量。
两个开关可能永远不会同时打开，以避免从转换器的输出通过两个开关接地的未经调节的直通电流。因此，在每个开关周期期间可能存在两个过渡持续时间，在此期间两个开关都断开。这些持续时间在开关转换器中称为死区时间。
死区时间导致开关转换器中的功率损耗和EMI问题。因此，在避免直通电流的同时最小化该死区时间一直是一个持续的问题，尚未提供有效的解决方案。
发明概述
同步转换器可以包括电源、电感器、输出端子和控制电路。控制电路可包括：电子激励开关，当激活时将能量从电源递送到导体；电子去激励开关，当激活时从所述电感器向所述输出端子递送能量，所述电子去激励开关包括体二极管；和电子下拉开关，当激活时关闭所述电子去激励开关，重新定向流经所述电子去激励开关的体二极管的电流，并从所述电子去激励开关的体二极管中除去电荷。电子激励开关和电子去激励开关永远不可同时激活。
来自第一体二极管的电流和电荷可在不超过一纳秒的时间内由所述电子下拉开关除去。
控制电路可包括重新定向/除去二极管，通过该重新定向/除去二极管，所述电流从所述体二极管重新定向，并且从所述体二极管中除去的电荷流动。
控制电路可包括控制所述电子激励开关和所述电子去激励开关的驱动器。重新定向/除去二极管可以是所述驱动器中的体二极管。
电子激励开关、电子去激励开关和所述电子下拉开关可以均是NMOS器件或GaN电源开关。
同步转换器可以是同步升压转换器、同步降压-升压转换器或同步H桥转换器。
现在，通过阅读以下对说明性实施例、附图和权利要求的详细描述，这些以及其他组件、步骤、特征、对象、益处和优点将变得清楚。
附图简述
附图是说明性实施例。它们没有示出所有实施例。可以另外或替代地使用其他实施例。可省略可能明显或不必要的细节以节省空间或用于更有效的说明。一些实施例可以用附加的组件或步骤和/或没有所示的所有组件或步骤来实践。当相同的数字出现在不同的图中时，它指的是相同或相似的组件或步骤。
图1A示出了同步升压转换器功率级的示例。
图1B示出了图1A中所示的升压转换器中的开关节点电压波形的示例。
图2示出了具有死区时间控制的传统同步升压转换器的示例。
图3示出了具有可以最小化体二极管传导的栅极驱动的同步升压转换器功率级的示例。
图4示出了与传统升压转换器功率级相比，功率开关SD和SE的操作栅极-源极电压以及所提出的同步升压转换器功率级(例如，使用栅极驱动的栅极驱动器，例如图3中所示的栅极驱动器)的开关节点处的电压的示例。
图5示出了具有栅极驱动的同步降压-升压转换器功率级的示例，该栅极驱动可以使体二极管传导最小化。
图6示出了同步H桥转换器功率级的示例，其驱动具有可以最小化体二极管传导的栅极驱动的电动机。
发明详述
现在描述说明性实施例。可以另外或替代地使用其他实施例。可省略可能明显或不必要的细节以节省空间或用于更有效的呈现。一些实施例可以用附加的组件或步骤和/或没有所描述的所有组件或步骤来实践。
图1A示出了同步升压转换器功率级的示例。图1A中所示的同步升压转换器可以通过激励电感器101并且将存储在电感器101中的能量去激励到耦合到输出端子的输出电容器103来产生比输入电压(VIN)更高的输出电压(VOUT)。
当SE栅极控制器107接通激励开关(SE)105时，电感器101(IL)中的电流可能增加。然后，SE栅极控制器107可以关闭SE 105以使IL升高开关节点电压(VSW)，直到IL流过去激励开关(SD)111的体二极管109。此时，SD栅极控制器113可以通过使IL流过其增强的通道来接通SD 111以减少传导损耗。当SD 111关闭时，IL可以首先再次流过SD 111的体二极管109，直到SE 105接通以拉动电流并使VSW下降以激励电感器101，重新开始切换循环。
图1B示出了图1A中所示的升压转换器的开关节点电压波形的示例。
两个开关105和111可能永远不会同时导通，以避免通过两个增强型开关SE 105和SD 111从VOUT到地的不受调节的直通电流。因此，在每个开关周期期间可能存在两个过渡持续时间，在此期间两个开关都断开。这些持续时间在开关转换器中称为死区时间。
在这些死区时间期间，VSW上下转换，体二极管109将IL导通到输出端子，如图1B所示。为了确保这种先开后合操作，系统会在命令另一个开关打开之前检测到一个开关已关闭。通常在断开时间内插入额外的延迟，以确保足够的死区时间，具体取决于电源开关的类型和大小。
图2示出了具有死区时间控制201的同步升压转换器的示例。当ENERGIZE信号上升到通过SE 205激励电感器203时，只有在SD 207关闭并且已经过了一些延迟之后，才允许SE205打开。类似地，当ENERGIZE信号降低以通过SD 207使电感器203断电时，死区时间控制201检查SE 205是否关闭并允许SD 207在另一延迟之后接通。还可以存在UP和DN电平移位器211和209，以在(INTVCC-GND)轨和(VBST–VSW)轨信号之间进行通信，其中VBST是在系统中的其他地方产生的浮动电源电压。
传统的开关转换器需要死区时间来防止直通电流。但是死亡时间会产生相关的功率损失。当IL流过体二极管而不是开关通道时，体二极管的传导损失可能大于增强的沟道电阻的对应部分。由于体二极管的反向回收电荷，可能发生更大的损失。MOSFET的体二极管在向前偏置以传导电流时存储电荷。随着二极管导通时间和开关转换器中的电流幅度，该电荷量趋于增加。为了关闭或反向偏置体二极管，可以重定向和去除传导电流和存储的电荷。在升压转换器的断电阶段结束时，SD 207关闭，体二极管将IL导通到输出端子。此时，SE205接通以拉低VSW。SE 205用于拉动的电流量大于IL的大小，并且额外电流的主要贡献者是体二极管的反向恢复电荷。在VSW的这种下降转变期间，SE 205将经历高电压和高电流，导致显着的开关损耗。此外，SE 205在此持续时间内拉动的增加的电流量大大增加了振铃并加剧了系统的EMI辐射。
建立死区时间的一种传统方法是在检测到开关关闭和命令另一个开关打开之间插入固定延迟。然而，如果栅极驱动器设计用于满足各种功率开关的需要，这种方法往往会导致长的体二极管导通时间。解决方法是提供一种调整用户死区时间的方法。当用户知道运行开关转换器的应用程序，并因此确定准确的功率开关时，将延迟编程到最佳条件可以减少体二极管导通时间。
另一种方法是实现智能开关转换器控制器，其自动检测电源开关的操作条件并在运行中对延迟进行编程以最小化死区时间。这种自编程死区时间方法通常在开关节点转换期间检测电源开关的栅极-源极电压和漏极-源极电压，以调整栅极驱动器中的延迟。
这些方法可以在一定程度上减少体二极管传导，但它们通常保留超过10ns的体二极管传导时间，以确保没有直通。传感器-无论是用户还是系统本身-都有自己的阈值容差(即决定开关是打开还是关闭的电压)。另外，可编程延迟的变化可能难以在整个温度、过程和电压上最小化，尤其是因为延迟在纳秒量级上。因此，在实践中，体二极管传导时间不能太短，以确保从直通灾难中获得时间限制。
最小化体二极管传导同时避免直通电流一直是一个挑战。这是因为两个任务-关闭开关并打开另一个开关以重定向体二极管电流并去除存储的电荷-由不同的电路执行，这些电路可能不会在过程、电压和温度变化上呈现定时对准。在图2中的同步升压转换器示例中，(VBST–VSW)轨道上的SD门控制器213关闭断电开关SD 207。当最后一级的下拉器件SD N215使SD 207的栅极-源极电压低于其阈值时，则SD 207的体二极管217将立即开始传导电感器电流IL的一部分。
检测此确切的关闭事件可能不是一项简单的任务。即使在完成之前，存在来自SD门传感器219、DN电平移位器209、死区时间控制201和SE门控制器221的延迟，其可以容易地花费超过几纳秒的体二极管传导时间，甚至在SE P 223开始拉动通电开关SE 205的栅极电压以从SD 207的体二极管217中窃取IL之前。为了补偿这些固有延迟，栅极电压感测有时在驱动器的最后阶段开始几个阶段开始。这种早期启动可以提供对准SD 207的关闭和SE 205的开启的机会，但是存在直通电流的风险。因为头部启动所获得的时间以及DN水平移位器209和驱动器中的延迟可能不是始终匹配并且将在它们自己的容差内变化，所以可能需要稍微变慢SE 205。因此，即使在早期启动的情况下，系统仍然可以以明显的体二极管传导时间结束。
通过使用单个装置执行关闭断电开关207和重定向其体二极管电流的任务，可以消除两个不同电路的定时对准挑战。
图3示出了具有可以最小化体二极管传导的栅极驱动的同步升压转换器功率级的示例。打开下拉装置SPULL 301以关闭SD 303并通过重定向二极管DRDIR 305窃取其体二极管307电流。当SD 303的栅极-源极电压被来自SPULL 301的电流拉低到其阈值以下时，IL将开始流过SD 303的体二极管307。SPULL 301将继续将栅极电压拉低至VSW以下直到DRDIR 305向前偏置。DRDIR 305将SD 303的栅极电压钳位在低于其源极电压的二极管电压(即，VSW-0.7V)处并且保护SD 303的栅极氧化物。
DRDIR 305允许SPULL 301从SD 303的体二极管307无缝地重定向IL，而没有任何定时对准要求以在死区时间减少和击穿电流防止之间进行权衡。SD 303的体二极管307像以前的方法一样在这种方法中导通，但它只能持续相当短的持续时间-从SD 303的栅极-源极电压超过其阈值电压的那一刻起直到DRDIR 305正向偏置。因为SPULL 301的电流的大小被设计为足够高以克服电感器309中的电流，所以一旦DRDIR 305将电流从开关节点(即，VSW)传导到SPULL 301，就不会留下电流用于SD 303的体二极管307。
在DRDIR 305的正向偏置之前，SPULL 301的高电流正在拉低SD 303的栅极。因此，栅极电压从高于VSW的阈值电压快速传播到低于VSW的二极管电压，留下相当短的时间用于体二极管传导。SPULL 301的这种高电流以及从关闭SD 303到重定向体二极管电流的无缝过渡可导致体二极管传导时间小于一纳秒。这种基本上短的体二极管导通时间可以减少升压转换器中的反向恢复电荷量及其相关问题。
传统方法可以分配诸如SE 311的激励开关以从SD 303改变电感器309的电流方向。然而，如果它们在相同的时间开启，则SD 303和SE 311可以形成从VOUT到地的短路。所提出的技术使用SPULL 301来改变来自SD 303的电感器309电流方向。与以前的方法不同，通过SD303和SPULL 301没有从VOUT到地的潜在短路路径。SPULL 301操作的顺序是对齐的，首先关闭SD303，然后重定向其电流。然而，在一些实现中，这并不意味着不需要SE 311。用于SE 311的栅极控制器313仍然可以在其接通SPULL 301之后快速接通SE 311以使电感器309的电流重定向，使得SE 311执行主激励开关的作用，如在其他升压转换器中那样。所提出的技术通过使用SPULL 301来重定向电流来减轻SE 311的负担。
二极管DRDIR 305可以仅是图3中(VBST–VSW)轨道驱动器的最后一级中的下拉NMOS器件SD N 315的体二极管。与其他方法相比，这种方法中唯一需要额外硅或印刷电路板空间的附加组件可能是下拉器件SPULL301。
另一个细节是当SPULL 301拉低SD 303的栅极时(VBST–VSW)轨道驱动器输出的条件。就在SPULL 301工作之前，在(VBST–VSW)轨道驱动器的最后一级通过上拉PMOS器件SD P 317将栅极电压上拉至VBST。因此，用于SD 303的SD栅极控制器319可以适当地准备以避免SD P 317和SPULL301之间的冲突。换句话说，当SPULL 301拉动SD 303的栅极时，SD栅极控制器319可以关闭SD P 317。
与传统的升压转换器级相比，图4示出了用于所提出的同步升压转换器功率级的功率开关SD和SE的操作栅极-源极电压以及开关节点处的电压的示例(例如，使用栅极驱动的一个，例如图3所示)。VSW波形上的虚线圆圈401和403的比较突出了所提出的技术的最小化(或几乎移除)体二极管传导操作。
所提出的技术可以应用于同步升压转换器，其中去激励开关SD是NMOS开关。因此，这种精确的技术可能与降压转换器，非同步升压转换器和具有PMOS去激励开关的同步升压转换器不兼容。另一方面，这种方法对于使用NMOS功率开关的同步降压-升压转换器和同步H桥电路非常有用，其中在低侧通电开关接通之前，电流流过高侧断电开关的体二极管。
此外，如果使用GaN功率开关代替用于同步升压、降压-升压和H桥转换器电路的NMOS功率开关，这种技术非常有用，因为GaN器件的体二极管对应电压要高得多。
图5示出了具有栅极驱动的同步降压-升压转换器功率级的示例，该栅极驱动可以使体二极管传导最小化。功率级通过激励电源开关SE1和SE2509激励电感器L并通过断电电源开关SD1和SD2 503使电感器L断电，从而将能量从VIN传递到VOUT。系统首先打开SE1和SE2509激励电感器。当电感器电流达到由该图中未示出的控制电路设定的某个特定值但存在于系统的其他地方时，系统关闭SE1并且电感器电流将第一开关节点VSW1拉低直到SD1的体二极管正向偏置。VSW1电压的这种转变由第一死区时间中的电感器电流执行。然后接通SD1以减小使电感器电流通过SD1和SE2 509循环的传导损耗。为了使电感器断电到输出端子，系统关闭SE2 509以使电感器电流向第二开关节点VSW2充电，直到SD2 503的体二极管505正向偏置。VSW2电压的这种转变也是由第二个死区时间内的电感器电流完成的。然后接通SD2 503以减少将电感器能量传递到输出端子的传导损耗。在回到激励阶段之前，同步降压-升压转换器通过关闭SD2 503并接通SE2509来经历另一个电感器电流循环阶段。系统可能会为此转换设置另一个死区时间，以避免通过SD2 503和SE2 509从VOUT到GND的直通电流。但是当系统关闭SD2 503时，电感器电流流过SD2 503的体二极管505，并且在第三个死区时间内的体二极管传导是导致显着功率损耗和EMI问题的原因。
为了减少这种体二极管传导及其在同步降压-升压转换器操作中的相关问题，所提出的栅极驱动方法可以使用SPULL 501，如同升压转换器对应物。SPULL 501接通以关闭SD2503并通过重定向二极管DRDIR 507窃取其体二极管505电流。当SD2 503的栅极-源极电压被来自SPULL 501的电流拉低至其阈值以下时，电感器电流将开始流过SD2 503的体二极管505。SPULL 501将继续将栅极电压拉低至VSW2以下，直到DRDIR 507正向偏置。DRIDR 507将SD2 503的栅极电压钳位在低于其源极电压的二极管电压(即VSW2-0.7V)处，并保护SD2 503的栅极氧化物。
DRDIR 507允许SPULL 501无缝地重定向来自SD2 503的体二极管505的电感器电流，而没有任何定时对准要求，以在死区时间减少和击穿电流防止之间进行权衡。SD2 503的体二极管505可以像传统方法那样在该方法中导通，但是只能持续相当短的持续时间-从SD2503的栅极-源极电压超过其阈值电压直到DRDIR 507正向偏置的那一刻起。由于SPULL 501电流的大小设计得足够高以克服电感器电流，一旦DRDIR 507将电流从开关节点(即VSW2)传导到SPULL 501，就没有电流留给SD2 503的体二极管505。
在DRDIR 507的正向偏置之前，SPULL 501的高电流正在拉低SD2 503的栅极。因此，栅极电压从高于VSW2的阈值电压快速传播到低于VSW2的二极管电压，留下相当短的时间用于体二极管传导。SPULL 501的这种高电流以及从关闭SD2 503到重定向其体二极管电流的无缝过渡可以导致体二极管传导时间小于一纳秒。这种基本上短的体二极管导通时间可以减少同步降压-升压转换器中的反向恢复电荷量及其相关问题。
图6示出了同步H桥转换器功率级的示例，其驱动具有可以最小化体二极管传导的栅极驱动的电动机601。负载电流ILOAD可以是双向的，这意味着它可以从VSW1流向VSW2，反之亦然。当ILOAD从VSW1流向VSW2并且系统整流S2和S4时，死区时间确保先断后通信并防止从VIN到GND的大型直通电流。与升压转换器的情况类似，有问题的死区时间是在S2关闭之后和S4打开之前。在此死区时间内，负载电流将流过S2的体二极管609，这将从正向偏置累积电荷。因此，S4可以拉动额外电流而不仅仅是负载电流以拉低VSW2节点并且在VSW2节点的下降沿期间引起比没有S2603的体二极管609的反向恢复电荷更多的功率损耗和EMI噪声。
为了减少这种体二极管传导及其在同步H桥变换器操作中的相关问题，所提出的栅极驱动方法可以使用SPULL2 607，如同升压变换器对应物。SPULL2 607打开以关闭S2 603并通过重定向二极管DRDIR2窃取其体二极管609电流。当S2 603的栅极-源极电压被来自SPULL2607的电流拉低到其阈值以下时，负载电流将开始流过S2 603的体二极管609。SPULL2 607将继续拉动栅极电压到低于VSW2，直到DRDIR2正向偏置。DRIDR2将S2 603的栅极电压钳位在低于其源极电压(即VSW2-0.7V)的二极管电压附近，并保护S2 603的栅极氧化物。
DRDIR2允许SPULL2 607无缝地重定向来自S2 603的体二极管609的负载电流，而没有任何定时校准要求，以在死区时间减少和击穿电流防止之间进行权衡。S2 603的体二极管609可以像传统方法一样在这种方法中导通，但是只能持续很短的持续时间-从S2 603的栅极-源极电压超过其阈值电压到DRDIR2正向偏置的那一刻起。因为SPULL2 607的电流幅度设计得足以克服负载电流，所以一旦DRDIR2将电流从开关节点(即VSW2)传导到SPULL2 607，就不会有剩余的电流留给S2 603的体二极管609。
在DRDIR2的正向偏置之前，SPULL2 607的高电流正在拉低S2 603的栅极。因此，栅极电压从高于VSW2的阈值电压快速传播到低于VSW2的二极管电压，留下相当短的时间用于体二极管传导。SPULL2 607的这种高电流以及从关闭S2 603到重定向其体二极管电流的无缝过渡可以导致体二极管传导时间小于一纳秒。这种短体二极管导通时间可以减少同步H桥变换器中的反向恢复电荷量及其相关问题。
由于H桥转换器的对称架构，当负载电流从VSW2流向VSW1时，问题和解决方案是对称的。换句话说，当ILOAD从VSW2流向VSW1并且系统可以关闭S1 611然后打开S3 613时，SPULL1 615可以拉下S1 611的栅极以关闭并减少S1 611的传导，没有任何定时校准问题，以避免像升压转换器情况中的击穿问题。
已经讨论的组件、步骤、特征、对象、益处和优点仅仅是说明性的。它们中没有一个，也没有与它们有关的讨论，都是为了以任何方式限制保护范围。还构想了许多其他实施例。这些包括具有更少、附加和/或不同组件、步骤、特征、对象、益处和/或优点的实施例。这些还包括其中组件和/或步骤以不同方式布置和/或排序的实施例。
除非另有说明，否则本说明书中阐述的所有测量值、值、额定值、位置、大小、尺寸和其他规格，包括在随后的权利要求中，都是近似的，而不是精确的。它们旨在具有与它们所涉及的功能以及它们所属领域中的惯例一致的合理范围。
本公开中引用的所有文章、专利、专利申请和其他出版物均通过引用并入本文。
当在权利要求中使用时，短语“用于......的装置”旨在并且应该被解释为包含已经描述的相应结构和材料及其等同物。类似地，当在权利要求中使用时，短语“步骤”旨在并且应该被解释为包含已经描述的相应动作及其等同物。权利要求中缺少这些短语意味着权利要求不旨在且不应被解释为限于这些对应的结构、材料或动作、或其等同物。
保护范围仅受现在的权利要求限制。该范围旨在并且应当被解释为与根据本说明书和随后的起诉历史进行解释时在权利要求中使用的语言的普通含义一致的宽泛，除非已经阐述了具体含义并包含所有结构和功能等价物。
诸如“第一”和“第二”之类的关系术语可以仅用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而不一定要求或暗示它们之间的任何实际关系或顺序。当结合说明书或权利要求中的元件列表使用时，术语“包括”、“包含”及其任何其他变型旨在表示该列表不是排他性的并且可以包括其他元件。类似地，在没有进一步限制的情况下，由“一”或“一个”继续的元素不排除存在相同类型的附加元素。
没有任何权利要求旨在包含不满足专利法第101、102或103节要求的主题，也不应以这种方式解释它们。特此声明不对此类主题进行任何无意的报道。除非本段刚才说明，否则任何已陈述或说明的内容均无意或应被解释为致使任何组成部分、步骤、特征、对象、利益、优势或等同于公众的奉献，无论其是否在权利要求中叙述。
提供摘要是为了帮助读者快速确定技术公开的性质。提交时的理解是，它不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在各种实施例中将前述详细描述中的各种特征组合在一起以简化本公开。该公开方法不应被解释为要求要求保护的实施例要求比每个权利要求中明确记载的更多特征。而是，如以下权利要求所反映的，发明主题在于少于单个公开实施例的所有特征。因此，以下权利要求在此并入详细描述中，每个权利要求自身作为单独要求保护的主题。

Claims (10)

1.一种用于包括电源、电感器和输出端子的同步转换器的控制电路，所述控制电路包括：
电子激励开关，当激活时将能量从电源递送到导体；
电子去激励开关，当激活时从所述电感器向所述输出端子递送能量，所述电子去激励开关包括体二极管；和
电子下拉开关，当激活时关闭所述电子去激励开关，重新定向流经所述电子去激励开关的体二极管的电流，并从所述电子去激励开关的体二极管中除去电荷，
其中所述电子激励开关和所述电子去激励开关永远不会同时激活。
2.根据权利要求1所述的控制电路，其中来自第一体二极管的电流和电荷在不超过一纳秒的时间内由所述电子下拉开关除去，所述控制电路还包括重新定向/除去二极管，通过该重新定向/除去二极管，所述电流从所述体二极管重新定向，并且从所述体二极管中除去的电荷流动，所述控制电路还包括控制所述电子激励开关和所述电子去激励开关的驱动器，其中所述重新定向/除去二极管是所述驱动器中的体二极管。
3.根据权利要求1所述的控制电路，其中所述电子激励开关、所述电子去激励开关和所述电子下拉开关均是NMOS器件或GaN电源开关，并且其中所述同步转换器是同步升压转换器、同步降压-升压转换器或同步H桥转换器。
4.一种能够由电源驱动的同步转换器，所述同步转换器包括：
电感器；
输出端子；
电子激励开关，当激活时将能量从电源递送到所述电感器；
电子去激励开关，当激活时从所述电感器向所述输出端子递送能量，所述电子去激励开关包括体二极管；和
电子下拉开关，当激活时关闭所述电子去激励开关，重新定向流经所述去激励开关的体二极管的电流，并从所述去激励开关的体二极管中除去电荷，
其中所述电子激励开关和所述电子去激励开关永远不会同时激活。
5.根据权利要求4所述的同步转换器，其中来自体二极管的电流和电荷在不超过一纳秒的时间内由所述电子下拉开关除去，所述同步转换器还包括重新定向/除去二极管以及控制所述电子激励开关和所述电子去激励开关的驱动器，通过该重新定向/除去二极管，所述电流从所述体二极管重新定向，并且从所述体二极管中除去的电荷流动，其中所述重新定向/除去二极管是所述驱动器中的体二极管。
6.根据权利要求4所述的同步转换器，其中所述电子激励开关、所述电子去激励开关和所述电子下拉开关均是NMOS器件或GaN电源开关，其中所述同步转换器是同步升压转换器、同步降压-升压转换器或同步H桥转换器。
7.一种用于包括电源、电感器和输出端子的同步转换器的控制电路，所述控制电路包括：
激励开关构件，当激活时将能量从电源递送到所述电感器；
去激励开关构件，当激活时从所述电感器向所述输出端子递送能量，所述去激励开关构件包括体二极管；和
下拉开关构件，当激活时关闭所述去激励开关构件，重新定向流经所述去激励开关构件的体二极管的电流，并从所述去激励开关构件的体二极管中除去电荷，
其中所述激励开关构件和所述去激励开关构件永远不会同时激活。
8.根据权利要求7所述的控制电路，其中来自体二极管的电流和电荷在不超过一纳秒的时间内由所述下拉开关构件除去。
9.根据权利要求7所述的控制电路，所述控制电路还包括重新定向/除去二极管构件，通过该重新定向/除去二极管构件，所述电流从所述体二极管重新定向，并且从所述体二极管中除去的电荷流动，所述控制电路还包括控制所述激励开关构件和所述去激励开关构件的驱动器构件，以及其中所述重新定向/除去二极管是所述驱动器构件中的体二极管。
10.根据权利要求7所述的控制电路，其中所述同步转换器是同步升压转换器、同步降压-升压转换器或同步H桥转换器。
CN201811427677.8A 2017-12-19 2018-11-27 最小化同步转换器中的体二极管传导 Active CN109936288B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/847,853 2017-12-19
US15/847,853 US10291128B1 (en) 2017-12-19 2017-12-19 Minimizing body diode conduction in synchronous converters

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109936288A true CN109936288A (zh) 2019-06-25
CN109936288B CN109936288B (zh) 2021-04-13

Family

ID=66439580

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811427677.8A Active CN109936288B (zh) 2017-12-19 2018-11-27 最小化同步转换器中的体二极管传导

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10291128B1 (zh)
JP (1) JP6736648B2 (zh)
KR (1) KR102217670B1 (zh)
CN (1) CN109936288B (zh)
DE (1) DE102018009961B4 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112534668B (zh) * 2018-04-10 2023-09-29 德州仪器公司 升压转换器短路保护
CN112688563B (zh) * 2020-12-29 2023-03-31 阳光电源股份有限公司 一种桥式级联系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040080969A1 (en) * 2002-07-02 2004-04-29 Patent-Treuhand-Gesellschaft Fur Elektrisch Gluhlampen Mbh Drive for a half-bridge inverter
CN1780124A (zh) * 2004-10-25 2006-05-31 株式会社东芝 半导体器件

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6107844A (en) 1998-09-28 2000-08-22 Tripath Technology, Inc. Methods and apparatus for reducing MOSFET body diode conduction in a half-bridge configuration
US6396250B1 (en) 2000-08-31 2002-05-28 Texas Instruments Incorporated Control method to reduce body diode conduction and reverse recovery losses
US6504351B2 (en) 2001-02-20 2003-01-07 Linear Technology Corporation Systems and methods for controlling the charge profile during the commutation event of a synchronous switching transistor in a regulator
US6535400B2 (en) 2001-03-30 2003-03-18 Texas Instruments Incorporated Control circuit for synchronous rectifiers in DC/DC converters to reduce body diode conduction losses
US6515463B2 (en) 2001-04-05 2003-02-04 Semiconductor Components Industries Llc Method and circuit for optimizing efficiency in a high frequency switching DC-DC converter
US6737842B2 (en) 2002-10-11 2004-05-18 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Method and circuits for reducing dead time and reverse recovery loss in buck regulators
US6861826B2 (en) 2003-03-31 2005-03-01 Texas Instruments Incorporated Timing circuit for synchronous DC/DC control to reduce synchronous rectifier body diode conduction
US7548435B2 (en) 2006-03-31 2009-06-16 Astec International Limited Zero-voltage-switching DC-DC converters with synchronous rectifiers
US7443146B2 (en) 2006-05-23 2008-10-28 Intersil Americas Inc. Auxiliary turn-on mechanism for reducing conduction loss in body-diode of low side MOSFET of coupled-inductor DC-DC converter
US7508175B2 (en) 2006-09-21 2009-03-24 The Boeing Company System and method for reducing body diode conduction
US7746042B2 (en) 2006-10-05 2010-06-29 Advanced Analogic Technologies, Inc. Low-noise DC/DC converter with controlled diode conduction
US8803494B2 (en) 2007-04-13 2014-08-12 Advanced Analogic Technologies Incorporated Method for reducing body diode conduction in NMOS synchronous rectifiers
KR101252532B1 (ko) * 2007-07-06 2013-04-09 어드밴스드 아날로직 테크놀로지스 인코퍼레이티드 동기식 프리휠링 ｍｏｓｆｅｔ를 구비한 부스트 및 업다운 스위칭 레귤레이터
US20090040794A1 (en) * 2007-08-08 2009-02-12 Advanced Analogic Technologies, Inc. Time-Multiplexed Multi-Output DC/DC Converters and Voltage Regulators
US8994349B2 (en) 2010-12-03 2015-03-31 The Boeing Company Synchronous rectifier bi-directional converter
TWI440297B (zh) * 2011-08-12 2014-06-01 Richtek Technology Corp 動態調整無刷直流馬達在換相期間之空載時間的方法及裝置
US9712046B2 (en) 2011-09-12 2017-07-18 Infineon Technologies Ag Dead-time optimization of DC-DC converters
WO2013188119A1 (en) 2012-06-13 2013-12-19 Efficient Power Conversion Corporation Method for operating a non-isolated switching converter having synchronous rectification capability suitable for power factor correction applications
CN103066666B (zh) * 2013-01-22 2015-08-26 矽力杰半导体技术(杭州)有限公司 一种升压型电池充电管理系统及其控制方法
US9595952B2 (en) 2013-12-13 2017-03-14 Monolithic Power Systems, Inc. Switching circuit and the method thereof
US9577525B2 (en) 2014-03-04 2017-02-21 Maxim Integrated Products, Inc. Adaptive dead time control
US20150326103A1 (en) 2014-05-08 2015-11-12 Fairchild Korea Semiconductor Ltd. Switch control circuit and power supply device including the same
CN204376860U (zh) 2014-12-12 2015-06-03 成都芯源系统有限公司 一种开关电路
US9608532B2 (en) 2015-04-04 2017-03-28 Joulwatt Technology Inc. Limited Body diode conduction optimization in MOSFET synchronous rectifier
US9537383B1 (en) 2015-07-14 2017-01-03 Allegro Microsystems, Llc Switching regulator with controllable dead time and quick start
US9698768B2 (en) 2015-07-14 2017-07-04 Infineon Technologies Austria Ag System and method for operating a switching transistor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040080969A1 (en) * 2002-07-02 2004-04-29 Patent-Treuhand-Gesellschaft Fur Elektrisch Gluhlampen Mbh Drive for a half-bridge inverter
CN1780124A (zh) * 2004-10-25 2006-05-31 株式会社东芝 半导体器件

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019110748A (ja) 2019-07-04
DE102018009961B4 (de) 2020-12-31
KR102217670B1 (ko) 2021-02-18
JP6736648B2 (ja) 2020-08-05
CN109936288B (zh) 2021-04-13
KR20190074240A (ko) 2019-06-27
DE102018009961A1 (de) 2019-06-19
US10291128B1 (en) 2019-05-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8593123B2 (en) Switching voltage regulators with hysteretic control for enhanced mode-transition speed and stability
TWI276288B (en) Control circuit of DC-DC converter and control method thereof
CN107294385B (zh) 用于零电压转换功率转换器的自适应定时的方法和设备
US8218340B2 (en) Switching power supply apparatus and primary side control circuit
US8080988B2 (en) Switch driver with low impedance initial drive and higher impedance final drive
CN103944392A (zh) 用于在同步回扫转换器中使用的次级控制器
CN108432114A (zh) 使用具有旁路模式的电力转换器进行无线电力传输的系统和方法
CN110392979B (zh) 混合式开关控制器
US9923471B2 (en) DC-DC converters having a half-bridge node, controllers therefor and methods of controlling the same
CN110429804A (zh) 反相升降压型变换器驱动电路和方法
CN110266184A (zh) 零电压切换的混合开关电容器转换器
CN109891730B (zh) Dc-dc转换器
CN102957383B (zh) D类放大器和控制方法
US7508175B2 (en) System and method for reducing body diode conduction
CN109936288A (zh) 最小化同步转换器中的体二极管传导
CN106549569A (zh) 用于管理多个迟滞dc-dc降压转换器的方法以及对应的dc-dc降压转换器
CN105896934A (zh) 具有自适应时钟的开关电源及其控制器和控制方法
CN105720799B (zh) 栅极驱动器启动的零电压开关的接通
CN104143909B (zh) 消除dc/dc转换器中的转换损耗的系统和方法
CN102624211B (zh) 直流-直流变换器的预偏置开机电路及控制方法
JP2007110845A (ja) スイッチング電源と半導体集積回路装置
US10461631B2 (en) DC-to-DC controller and control method thereof
US7733153B2 (en) High speed level shifter
JP2003525003A (ja) Ｄｃ−ｄｃコンバータ用スイッチング装置及びスイッチコンポーネント
US10615693B2 (en) DC-to-DC voltage converters with controllers to switch on a low-side FET for a time interval before switching on a high-side FET

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210818

Address after: Limerick

Patentee after: Analog equipment International Co.,Ltd.

Address before: Massachusetts, USA

Patentee before: Linear Technology Holding LLC