CN111490663A - 智能集成式开关管及谐振型软开关电路 - Google Patents

Abstract

本申请提出一种智能集成式开关管及谐振型软开关电路，涉及半导体技术领域。该智能集成式开关管包括增强型开关管、耗尽型开关管、电压采样电路及辅助开关，增强型开关管的栅极与辅助开关的第一连接端电连接，增强型开关管的源极与辅助开关的第二连接端、耗尽型开关管的栅极电连接，增强型开关管的漏极与耗尽型开关管的源极电连接，电压采样电路电连接于耗尽型开关管的源极与辅助开关的控制端之间，电压采样电路依据耗尽型开关管的源极电压输出采样电压，辅助开关依据采样电压断开或导通，进而控制增强型开关管导通或断开；当辅助开关断开时，增强型开关管导通，采样电压对应的耗尽型开关管的漏源电压为零，实现了零电压开关，降低了开关损耗。

Description

智能集成式开关管及谐振型软开关电路

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种智能集成式开关管及谐振型软开关电路。

背景技术

近年来，高频化和高功率密度是开关电源的主要发展趋势，高频化会带来开关损耗的明显增加，影响电源的转换效率，采用谐振型软开关技术可以降低开关损耗。

谐振型软开关技术，一般通过谐振电流实现对开关管输出电容上电荷的抽取，待电荷抽取完成，开关管的漏源电压下降为零，再驱动开关管导通，实现零电压开关，消除开关损耗。常见的谐振软开关设计中，例如半桥LLC谐振软开关电路中，通常根据开关管的输出等效电容和谐振电流算出一个预定值，由于器件参数的离散和电路工作状态的改变，死区时间会出现偏大或者偏小的情况，从而影响了软开关的实现，增加了开关损耗，降低了电路的效率。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种智能集成式开关管及谐振型软开关电路，以降低死区时间的设计复杂度，确保零电压开关的实现。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本发明实施例提出一种智能集成式开关管，包括增强型开关管、耗尽型开关管、电压采样电路及辅助开关，所述增强型开关管的栅极作为所述智能集成式开关管的栅极，并与所述辅助开关的第一连接端电连接，所述增强型开关管的源极作为所述智能集成式开关管的源极，并与所述辅助开关的第二连接端、所述耗尽型开关管的栅极均电连接，所述增强型开关管的漏极与所述耗尽型开关管的源极电连接，所述电压采样电路电连接于所述耗尽型开关管的源极与所述辅助开关的控制端之间，所述耗尽型开关管的漏极作为所述智能集成式开关管的漏极；所述电压采样电路用于依据所述耗尽型开关管的源极电压输出采样电压；所述辅助开关用于依据所述采样电压断开或导通，进而控制所述增强型开关管导通或断开；其中，当所述辅助开关断开时，所述增强型开关管导通，所述采样电压对应的所述耗尽型开关管的漏源电压为零。

第二方面，本发明实施例还提出一种谐振型软开关电路，包括上述第一方面所述的智能集成式开关管。

相对现有技术，本发明实施例具有以下有益效果：

本发明实施例提供的智能集成式开关管及谐振型软开关电路，该智能集成式开关管包括增强型开关管、耗尽型开关管、电压采样电路及辅助开关，所述增强型开关管的栅极作为所述智能集成式开关管的栅极，并与所述辅助开关的第一连接端电连接，所述增强型开关管的源极作为所述智能集成式开关管的源极，并与所述辅助开关的第二连接端、所述耗尽型开关管的栅极均电连接，所述增强型开关管的漏极与所述耗尽型开关管的源极电连接，所述电压采样电路电连接于所述耗尽型开关管的源极与所述辅助开关的控制端之间，所述耗尽型开关管的漏极作为所述智能集成式开关管的漏极；所述电压采样电路用于依据所述耗尽型开关管的源极电压输出采样电压；所述辅助开关用于依据所述采样电压断开或导通，进而控制所述增强型开关管导通或断开；其中，当所述辅助开关断开时，所述增强型开关管导通，所述采样电压对应的所述耗尽型开关管的漏源电压为零。该智能集成式开关管通过检测耗尽型开关管的源极电压，可以确保在耗尽型开关管的漏源电压为零时驱动增强型开关管导通，有效避免了增强型开关管过早导通或者过晚导通，从而实现零电压开关，减小开关损耗，提升电路效率；使用该智能集成式开关管的谐振型软开关电路中，可以不用预留死区时间，直接施加栅极驱动电压，由智能集成式开关管内部自主设计死区时间，从而降低了谐振型软开关电路中死区时间的设计复杂度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的智能集成式开关管的一种电路连接示意图。

图2示出了本发明实施例所提供的智能集成式开关管的另一种电路连接示意图。

图3示出了本发明实施例所提供的智能集成式开关管的又一种电路连接示意图。

图4示出了本发明实施例所提供的智能集成式开关管的又一种电路连接示意图。

图5示出了本发明实施例所提供的智能集成式开关管的又一种电路连接示意图。

图6示出了本发明实施例所提供的智能集成式开关管的又一种电路连接示意图。

图7示出了本发明实施例所提供的智能集成式开关管的又一种电路连接示意图。

图标：100-智能集成式开关管；110-电压采样电路；120-辅助开关；130-开关控制电路；S1-增强型开关管；S2-耗尽型开关管；U1-比较器；R1-第一分压电阻；R2-第二分压电阻；C1-电容。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在实现本发明实施例的技术方案的过程中，本申请发明人发现：

谐振型软开关技术，一般通过谐振电流实现对开关管输出电容上电荷的抽取，待电荷抽取完成，开关管的漏源电压下降为零，再驱动开关管导通，实现零电压开关，消除开关损耗。从软开关的实现方法可以看出，实现零电压开关的关键是检查开关管的漏源电压已经下降到零，然后及时驱动开关管导通。如果开关的驱动过早，则开关管的漏源电压未下降到零，存在开关损耗；如果开关的驱动过晚，谐振电流会经过开关管的寄生体二极管导通，产生较大的损耗，同时，也会导致死区时间过大，电流的有效值增加，导通损耗增加等问题。

为了解决上述问题，目前较常见的谐振软开关设计中，例如半桥LLC谐振软开关电路中，通常根据开关管的输出等效电容和谐振电流算出一个预定值，由于器件参数的离散和电路工作状态的改变，死区时间会出现偏大或者偏小的情况，从而影响了软开关的实现，增加了开关损耗，降低了电路的效率。

基于对上述缺陷的研究，本发明实施例提出一种适用于谐振型软开关电路，能够降低死区时间设计复杂度，确保谐振型软开关电路实现零电压开关，从而降低开关损耗的智能集成式开关管。需要说明的是，以上现有技术中的方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。下面，对本发明实施例提供的方案进行详细阐述。

请参照图1，为本发明实施例所提供的智能集成式开关管100的结构框图。该智能集成式开关管100可以应用于谐振型软开关电路中，包括增强型开关管S1、耗尽型开关管S2、电压采样电路110及辅助开关120，所述增强型开关管S1的栅极作为所述智能集成式开关管100的栅极，并与所述辅助开关120的第一连接端电连接，所述增强型开关管S1的源极作为所述智能集成式开关管100的源极，并与所述辅助开关120的第二连接端、所述耗尽型开关管S2的栅极均电连接，所述增强型开关管S1的漏极与所述耗尽型开关管S2的源极电连接，所述电压采样电路110电连接于所述耗尽型开关管S2的源极与所述辅助开关120的控制端之间，所述耗尽型开关管S2的漏极作为所述智能集成式开关管100的漏极。

所述电压采样电路110用于依据所述耗尽型开关管S2的源极电压输出采样电压，所述辅助开关120用于依据所述采样电压断开或导通，进而控制所述增强型开关管S1导通或断开；其中，当所述辅助开关120断开时，所述增强型开关管S1导通，所述采样电压对应的所述耗尽型开关管S2的漏源电压为零。

在本实施例中，所述增强型开关管S1可以采用增强型硅金属氧化物场效应管(SiMOSFET)，所述耗尽型开关管S2可以采用耗尽型碳化硅金属氧化物场效应管(SiC MOSFET)或者耗尽型氮化镓高迁移率晶体管(GaN HEMT)。

可选地，在本实施例中，所述增强型开关管S1上存在寄生体二极管，故存在反向恢复电荷，所述耗尽型开关管S2上不存在寄生体二极管，故不存在反向恢复电荷，且耗尽型开关管S2的输出电容远小于增强型开关管S1的输出电容。因此，相比于传统的硅功率开关管，该智能集成式开关管100可以降低反向恢复电荷，提升异常情况下的可靠性。

可选地，在本实施例中，所述增强型开关管S1、所述耗尽型开关管S2、所述电压采样电路110及所述辅助开关120通过工艺制作在同一块晶圆上，或者制作成多个分离芯片并将所述多个分离芯片通过互连线在同一个封装内部进行连接。因此，该智能集成式开关管100的内部连线短，寄生参数小，信号的延时小，适合高频条件下应用。

在谐振型软开关电路中，当智能集成式开关管100处于关断状态时，其漏源电流Ids为负值，漏源电流方向从智能集成式开关管100的源极S(即低电位端)流向漏极D(即高电位端)，理想情况下，在耗尽型开关管S2的漏源电压Vds_S2降低到零时，增强型开关管S1的漏源电压Vds_S1应当高于耗尽型开关管S2的阈值电压绝对值|Vth_S2|，且此时应当立刻施加增强型开关管S1的栅极驱动电压，使得增强型开关管S1及时导通，避免其寄生体二极管导通，这样才可以保证承当绝大部分关断电压的耗尽型开关管S2实现零电压开关，以减小开关损耗，同时减少或者消除增强型开关管S1上寄生体二极管的导通时间，减少导通损耗。

本实施例提供的智能集成式开关管100通过电压采样电路110来检测耗尽型开关管S2的源极电压(即图1中A点的电位)，该耗尽型开关管S2的源极电压可以表征耗尽型开关管S2的漏源电压Vds_S2，例如可设计当耗尽型开关管S2的漏源电压Vds_S2下降到零时，对应的A点的电位为VA0，当增强型开关管S1的栅极驱动电压施加过早时，A点的电位VA>VA0，该电压采样电路110依据该A点的电位VA输出的采样电压大于辅助开关120的阈值电压，辅助开关120处于导通状态，增强型开关管S1的栅极驱动电压会被辅助开关120短路，从而避免了增强型开关管S1的过早导通，只有当耗尽型开关管S2的漏源电压Vds_S2下降到零时，A点的电位VA下降到VA0，此时该电压采样电路110依据该A点的电位VA0输出的采样电压小于辅助开关120的阈值电压，辅助开关120断开，增强型开关管S1的栅极驱动电压可以驱动增强型开关管S1导通，从而确保零电压开关的实现；同时，通过检测的耗尽型开关管S2的源极电压来控制增强型开关管S1的导通或断开，还有效避免了增强型开关管S1的栅极驱动电压施加过晚而导致增强型开关管S1的寄生体二极管导通时间长的情况。

需要说明的是，在实际应用中，该增强型开关管S1和耗尽型开关管S2的结电容需要进行特别设计，以满足耗尽型开关管S2零电压开关实现的条件。

如此，在使用该智能集成式开关管100的谐振型软开关电路中，可以不用预留死区时间，直接施加栅极驱动电压，由智能集成式开关管100内部自主设计死区时间，避免增强型开关管S1过早导通或过晚导通，保证零电压开关的实现和避免寄生体二极管的长时间导通，有效减少了开关损耗，降低了死区时间的设计复杂度，提升电路设计的灵活性。

可选地，如图2所示，该电压采样电路110可以包括第一分压电阻R1和第二分压电阻R2，所述第一分压电阻R1和所述第二分压电阻R2串联于所述耗尽型开关管S2的源极与所述增强型开关管S1的源极之间，所述辅助开关120的控制端电连接于所述第一分压电阻R1与所述第二分压电阻R2之间。

假设当耗尽型开关管S2的漏源电压Vds_S2下降到零时，对应的A点的电位为VA0，则当增强型开关管S1的栅极驱动电压施加过早时，A点的电位VA>VA0，通过第一分压电阻R1和第二分压电阻R2分压采样后的值(即上述的采样电压)大于辅助开关120的阈值电压，辅助开关120处于导通状态，增强型开关管S1的栅极驱动电压会被辅助开关120短路，从而避免了增强型开关管S1的过早导通，只有当耗尽型开关管S2的漏源电压Vds_S2下降到零时，A点的电位VA下降到VA0，此时第一分压电阻R1和第二分压电阻R2分压采样后的值小于辅助开关120的阈值电压，辅助开关120断开，增强型开关管S1的栅极驱动电压可以驱动增强型开关管S1导通，从而确保零电压开关的实现，还能避免增强型开关管S1的栅极驱动电压施加过晚而导致增强型开关管S1的寄生体二极管导通时间长的情况。

可选地，如图3所示，所述智能集成式开关管100还包括电容C1，所述电容C1的一端电连接于所述第一分压电阻R1与所述第二分压电阻R2之间，所述电容C1的另一端与所述辅助开关120的控制端电连接。该电容C1具有隔直流通交流的作用，以防止辅助开关120在智能集成式开关管100处于导通状态时，因第一分压电阻R1和第二分压电阻R2分压采样后的值大于辅助开关120的阈值电压而导通，从而影响智能集成式开关管100的正常工作。

可选地，如图4所示，所述智能集成式开关管100还包括开关控制电路130，所述开关控制电路130的一端电连接于所述第一分压电阻R1与所述第二分压电阻R2之间，所述开关控制电路130的另一端与所述辅助开关120的控制端电连接。

该开关控制电路130用于依据第一分压电阻R1和第二分压电阻R2分压采样后的值(即采样电压)控制辅助开关120断开或导通。

具体地，如图5所示，所述开关控制电路130可以包括比较器U1，所述比较器U1的同相输入端电连接于所述第一分压电阻R1与所述第二分压电阻R2之间，所述比较器U1的反相输入端用于接收一参考电压，所述比较器U1的输出端与所述辅助开关120的控制端电连接。

所述比较器U1用于依据所述采样电压及所述参考电压输出比较结果，所述辅助开关120用于依据所述比较结果断开或导通。

在本实施例中，该参考电压可以通过电路产生，该参考电压可以为当耗尽型开关管S2的漏源电压Vds_S2下降到零时，第一分压电阻R1和第二分压电阻R2分压采样后的值，也即是耗尽型开关管S2的漏源电压Vds_S2为零时对应的采样电压。当比较器U1接收的采样电压大于参考电压时，表明增强型开关管S1的栅极驱动电压施加过早，此时A点的电位VA>VA0，故比较器U1控制辅助开关120处于导通状态，增强型开关管S1的栅极驱动电压会被辅助开关120短路，从而避免了增强型开关管S1的过早导通，只有当耗尽型开关管S2的漏源电压Vds_S2下降到零时，A点的电位VA下降到VA0，此时比较器U1接收的采样电压小于参考电压，比较器U1控制辅助开关120断开，增强型开关管S1的栅极驱动电压可以驱动增强型开关管S1导通，从而确保零电压开关的实现，还能避免增强型开关管S1的栅极驱动电压施加过晚而导致增强型开关管S1的寄生体二极管导通时间长的情况。

可选地，如图6所示，所述辅助开关120可以为三极管，所述三极管的集电极与所述增强型开关管S1的栅极电连接，所述三极管的发射极与所述增强型开关管S1的源极电连接，所述三极管的基极与所述电压采样电路110电连接。

可以理解，当辅助开关120为三极管时，该三极管的集电极即为上述的第一连接端，该三极管的发射极即为上述的第二连接端，该三极管的基极即为上述的控制端。

可选地，如图7所示，所述辅助开关120为增强型硅金属氧化物场效应管，所述增强型硅金属氧化物场效应管的漏极与所述增强型开关管S1的栅极电连接，所述增强型硅金属氧化物场效应管的源极与所述增强型开关管S1的源极电连接，所述增强型硅金属氧化物场效应管的栅极与所述电压采样电路110电连接。

可以理解，当辅助开关120为增强型硅金属氧化物场效应管时，该增强型硅金属氧化物场效应管的漏极即为上述的第一连接端，该增强型硅金属氧化物场效应管的源极即为上述的第二连接端，该增强型硅金属氧化物场效应管的栅极即为上述的控制端。

综上所述，本发明实施例提供的智能集成式开关管及谐振型软开关电路，该智能集成式开关管包括增强型开关管、耗尽型开关管、电压采样电路及辅助开关，所述增强型开关管的栅极作为所述智能集成式开关管的栅极，并与所述辅助开关的第一连接端电连接，所述增强型开关管的源极作为所述智能集成式开关管的源极，并与所述辅助开关的第二连接端、所述耗尽型开关管的栅极均电连接，所述增强型开关管的漏极与所述耗尽型开关管的源极电连接，所述电压采样电路电连接于所述耗尽型开关管的源极与所述辅助开关的控制端之间，所述耗尽型开关管的漏极作为所述智能集成式开关管的漏极；所述电压采样电路用于依据所述耗尽型开关管的源极电压输出采样电压；所述辅助开关用于依据所述采样电压断开或导通，进而控制所述增强型开关管导通或断开；其中，当所述辅助开关断开时，所述增强型开关管导通，所述采样电压对应的所述耗尽型开关管的漏源电压为零。该智能集成式开关管通过检测耗尽型开关管的源极电压，可以确保在耗尽型开关管的漏源电压为零时驱动增强型开关管导通，有效避免了增强型开关管过早导通或者过晚导通，从而实现零电压开关，减小开关损耗，提升电路效率；使用该智能集成式开关管的谐振型软开关电路中，可以不用预留死区时间，直接施加栅极驱动电压，由智能集成式开关管内部自主设计死区时间，从而降低了谐振型软开关电路中死区时间的设计复杂度。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (10)

1.一种智能集成式开关管，其特征在于，包括增强型开关管、耗尽型开关管、电压采样电路及辅助开关，所述增强型开关管的栅极作为所述智能集成式开关管的栅极，并与所述辅助开关的第一连接端电连接，所述增强型开关管的源极作为所述智能集成式开关管的源极，并与所述辅助开关的第二连接端、所述耗尽型开关管的栅极均电连接，所述增强型开关管的漏极与所述耗尽型开关管的源极电连接，所述电压采样电路电连接于所述耗尽型开关管的源极与所述辅助开关的控制端之间，所述耗尽型开关管的漏极作为所述智能集成式开关管的漏极；

所述电压采样电路用于依据所述耗尽型开关管的源极电压输出采样电压；

所述辅助开关用于依据所述采样电压断开或导通，进而控制所述增强型开关管导通或断开；其中，当所述辅助开关断开时，所述增强型开关管导通，所述采样电压对应的所述耗尽型开关管的漏源电压为零。

2.如权利要求1所述的智能集成式开关管，其特征在于，所述电压采样电路包括第一分压电阻和第二分压电阻，所述第一分压电阻和所述第二分压电阻串联于所述耗尽型开关管的源极与所述增强型开关管的源极之间，所述辅助开关的控制端电连接于所述第一分压电阻与所述第二分压电阻之间。

3.如权利要求2所述的智能集成式开关管，其特征在于，所述智能集成式开关管还包括电容，所述电容的一端电连接于所述第一分压电阻与所述第二分压电阻之间，所述电容的另一端与所述辅助开关的控制端电连接。

4.如权利要求2所述的智能集成式开关管，其特征在于，所述智能集成式开关管还包括开关控制电路，所述开关控制电路的一端电连接于所述第一分压电阻与所述第二分压电阻之间，所述开关控制电路的另一端与所述辅助开关的控制端电连接。

5.如权利要求4所述的智能集成式开关管，其特征在于，所述开关控制电路包括比较器，所述比较器的同相输入端电连接于所述第一分压电阻与所述第二分压电阻之间，所述比较器的反相输入端用于接收一参考电压，所述比较器的输出端与所述辅助开关的控制端电连接；

所述比较器用于依据所述采样电压及所述参考电压输出比较结果；

所述辅助开关用于依据所述比较结果断开或导通。

6.如权利要求1所述的智能集成式开关管，其特征在于，所述辅助开关为三极管，所述三极管的集电极与所述增强型开关管的栅极电连接，所述三极管的发射极与所述增强型开关管的源极电连接，所述三极管的基极与所述电压采样电路电连接。

7.如权利要求1所述的智能集成式开关管，其特征在于，所述辅助开关为增强型硅金属氧化物场效应管，所述增强型硅金属氧化物场效应管的漏极与所述增强型开关管的栅极电连接，所述增强型硅金属氧化物场效应管的源极与所述增强型开关管的源极电连接，所述增强型硅金属氧化物场效应管的栅极与所述电压采样电路电连接。

8.如权利要求1-7任一项所述的智能集成式开关管，其特征在于，所述增强型开关管上存在寄生体二极管，所述耗尽型开关管上不存在寄生体二极管。

9.如权利要求1-7任一项所述的智能集成式开关管，其特征在于，所述增强型开关管、所述耗尽型开关管、所述电压采样电路及所述辅助开关通过工艺制作在同一块晶圆上，或者制作成多个分离芯片并将所述多个分离芯片通过互连线在同一个封装内部进行连接。

10.一种谐振型软开关电路，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的智能集成式开关管。

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