TWI733358B - 理想二極體 - Google Patents

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TWI733358B
TWI733358B TW109107419A TW109107419A TWI733358B TW I733358 B TWI733358 B TW I733358B TW 109107419 A TW109107419 A TW 109107419A TW 109107419 A TW109107419 A TW 109107419A TW I733358 B TWI733358 B TW I733358B
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成維華
鄭時龍
吳至強
張翼
蘇評揮
朗 瑪士
鄭泗東
謝廷恩
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國立陽明交通大學
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Abstract

提供一種理想二極體，其包含第一功率電晶體、功率二極體、比較器以及電源供應器；功率二極體陽極及陰極分別連接源極及汲極；比較器差動正訊號端及輸出端分別連接源極及閘極；電源供應器正電源輸入及負電源輸入分別連接汲極及源極，供應器正電源輸出及負電源輸出分別連接比較器正電源輸入及負電源輸入；其中，理想二極體之陽極及陰極分別連接功率二極體之陽極及陰極，且理想二極體之控制極連接比較器之差動負訊號端。

Description

理想二極體
本發明涉及二極體，尤其涉及具有低傳導損耗的理想二極體。
在交流-直流整流器或是直流-直流轉換器中，通常以功率二極體整流導通，然而，一般的功率二極體在正向傳導電流的狀況下會有電壓降(voltage drop)，在反向電壓的狀況下則會有漏電流，為了降低上述電壓降以及漏電流，習知技術以金屬氧化物電晶體(MOSFET)作為同步整流器，利用其低導通電阻來降低順向導通壓降，然而，電晶體是一個三端元件，其控制端需要透過驅動器或控制器IC的控制訊號來驅動，對於許多開關穩壓器的應用來說，該控制訊號需要控制主開關以及整流器開關，致使驅動訊號以及電路設計變得複雜。
為了解決上述的問題，本發明係提供一種理想二極體，其包含第一功率電晶體、功率二極體、比較器以及電源供應器，第一功率電晶體包含源極、汲極以及閘極；功率二極體包含陽極與陰極，其中陽極連接源極，陰極連接汲極；比較器包含比較器正電源輸入、比較器負電源輸入、差動正訊號端、差動負訊號端以及比較器輸出端，其中差動正訊號端連接源極，比較器輸出端連接閘極；電源供應器包含供應器正電源輸入、供應器負電源輸入、供應器正 電源輸出以及供應器負電源輸出，其中供應器正電源輸入連接汲極，供應器負電源輸入連接源極，供應器正電源輸出連接比較器正電源輸入，供應器負電源輸出連接比較器負電源輸入；其中，理想二極體之陽極係連接功率二極體之陽極，理想二極體之陰極係連接功率二極體之陰極，且理想二極體之控制極連接比較器之差動負訊號端。
較佳地，第一功率電晶體可以是III-V族功率電晶體。
較佳地，電源供應器可以是直流電源供應器。
較佳地，比較器可以是磁滯式比較器。
根據本發明之理想二極體是自驅動的，其無需外部訊號功率，可直接代替一般的功率二極體，並且具有低傳導耗損的特性。
100、100_1、100_2、100_3、100_4:理想二極體
101:第一功率電晶體
203、303:第二功率電晶體
102:功率二極體
103:比較器
104:電源供應器
200:降壓變換器
201:閘極驅動器
202:電感
300:升壓變換器
301:閘極驅動器
302:電感
400:橋式整流器
401:閘極驅動器
CS、CS1~CS4:控制極
S:源極
D:汲極
G:閘極
V1:比較器正電源輸入
V2:比較器負電源輸入
S1:差動正訊號端
S2:差動負訊號端
IN1:供應器正電源輸入
IN2:供應器負電源輸入
OUT1:供應器正電源輸出
OUT2:供應器負電源輸出
A:理想二極體陽極
K:理想二極體陰極
Vr:功率二極體正向導通電壓
第1圖係繪示根據本發明之理想二極體示意圖。
第2圖的(A)部分係繪示根據本發明一實施例之降壓變換器示意圖；第2圖的(B)~(D)部分係繪示第2圖的(A)部分所示降壓變換器之訊號時序圖。
第3圖的(A)部分係繪示根據本發明一實施例之升壓變換器示意圖；第3圖的(B)~(D)部分係繪示第3圖的(A)部分所示升壓變換器之訊號時序圖。
第4圖的(A)部分係繪示根據本發明一實施例之橋式整流器示意圖；第4圖的(B)~(J)部分係繪示第4圖的(A)部分所示橋式整流器之訊號時序圖。
為利貴審查委員瞭解本發明之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本發明配合所附圖式，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本發明實施 後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本發明於實際實施上的申請專利範圍，合先敘明。
參照第1圖，其繪示根據本發明之理想二極體示意圖。理想二極體100包含第一功率電晶體101、功率二極體102、比較器103以及電源供應器104，第一功率電晶體101包含源極S、汲極D以及閘極G；功率二極體102包含陽極與陰極，其中陽極連接源極S，陰極連接汲極D；比較器103包含比較器正電源輸入V1、比較器負電源輸入V2、差動正訊號端S1、差動負訊號端S2以及比較器輸出端，其中差動正訊號端S1連接源極S，比較器輸出端連接閘極G；電源供應器104包含供應器正電源輸入IN1、供應器負電源輸入IN2、供應器正電源輸出OUT1以及供應器負電源輸出OUT2，其中供應器正電源輸入IN1連接汲極D，供應器負電源輸入IN2連接源極S，供應器正電源輸出OUT1連接比較器正電源輸入V1，供應器負電源輸出OUT2連接比較器負電源輸入V2；其中，理想二極體100之陽極A係連接功率二極體102之陽極，理想二極體100之陰極K係連接功率二極體102之陰極，且理想二極體100之控制極CS連接比較器103之差動負訊號端S2。
接下來請參照第2圖的(A)部分，其繪示根據本發明一實施例之降壓變換器示意圖，以示例說明本發明所提供之理想二極體100之功效，並請同時參照第2圖的(B)~(D)部分，第2圖的(B)~(D)部分係繪示第2圖的(A)部分所示降壓變換器之訊號時序圖。降壓變換器200(Vo<Vin)包含理想二極體100、閘極驅動器201、電感202以及第二功率電晶體203，其中閘極驅動器201可以是作為降壓變換器開關用途之MOSFET閘極驅動器，閘極驅動器201提供如第2圖的(B)部分所示的PWM訊號(週期T1)至理想二極體100的控制極CS，當閘極驅動器201的閘極訊號由高位準(如第2圖的(B)部分所示的Ton時段)變為低位準(如第2圖的(B)部分 所示的Toff時段)的過程中，理想二極體100中的功率二極體102會因電感202的電流逐漸變小所產生的反向電壓而造成導通，理想二極體100內的比較器103感測到閘極驅動器201的閘極訊號的低位準，而進一步比較理想二極體100之陽極A與控制極CS間之電壓差異，比較器103對應上述電壓差異輸出控制訊號至比較器輸出端，由比較器輸出端輸出至第一功率電晶體101之閘極G，從而控制第一功率電晶體101之導通或關閉；當第一功率電晶體101導通時，理想二極體100之陽極A與陰極K之電壓降係遠小於功率二極體102之正向導通電壓Vr，而導致功率二極體102再度關閉。
根據本發明一實施例，第一功率電晶體101可以是III-V族功率電晶體，例如氮化鎵電晶體，其導通電阻遠小於一般功率二極體的導通電阻，例如，一般功率二極體的正向導通壓降約0.7V，若以iA=10安培來說，則一般功率二極體的耗損為7W，而III-V族功率電晶體之導通電阻約10mΩ，其耗損為1W，因此，透過輸入理想二極體100的控制極CS之訊號來導通第一功率電晶體101，關閉功率二極體102，從而避免了功率二極體102產生之耗損。
接下來請參照第3圖的(A)部分，其繪示根據本發明一實施例之升壓變換器示意圖，並同時參照第3圖的(B)~(D)部分，第3圖的(B)~(D)部分係繪示第3圖的(A)部分所示升壓變換器之訊號時序圖。升壓變換器300(Vo>Vin)包含理想二極體100、閘極驅動器301、電感302以及第二功率電晶體303，其中閘極驅動器301可以是作為升壓變換器開關用途之MOSFET閘極驅動器，閘極驅動器301提供如第3圖的(B)部分所示的PWM訊號(週期T2)至理想二極體100的控制極CS，當閘極驅動器301的閘極訊號由高位準(如第3圖的(B)部分所示的Ton時段)變為低位準(如第3圖的(B)部分所示的Toff時段)的過程中，理想二極體100中的功率 二極體102會因電感302的電流逐漸變小所產生的反向電壓而造成導通，理想二極體100內的比較器103感測到閘極驅動器301的閘極訊號的低位準，而進一步比較理想二極體100之陽極A與控制極CS間之電壓差異，比較器103對應上述電壓差異輸出控制訊號至比較器輸出端，由比較器輸出端輸出至第一功率電晶體101之閘極G，從而控制第一功率電晶體101之導通或關閉；當第一功率電晶體101導通時，理想二極體100之陽極A與陰極K之電壓降係遠小於功率二極體102之正向導通電壓Vr，而導致功率二極體102再度關閉，從而避免了功率二極體102產生之耗損。
接下來請參照第4圖的(A)部分，其繪示根據本發明一實施例之橋式整流器示意圖，並同時參照第4圖的(B)~(J)部分，第4圖的(B)~(J)部分係繪示第4圖的(A)部分所示橋式整流器之訊號時序圖。橋式整流器400是一種交流-直流轉換器，將輸入之交流電壓(VIN，週期T3)轉換為直流電壓輸出，橋式整流器400包含根據本發明所提供之理想二極體100_1、100_2、100_3、100_4以及閘極驅動器401，其中理想二極體100_1、100_2、100_3、100_4具有如理想二極體100之構造，閘極驅動器401分別提供如第4圖的(B)~(E)部分所示的PWM訊號至理想二極體100_1、100_2、100_3、100_4的控制極CS1~CS4，每一個理想二極體100_1、100_2、100_3、100_4中的比較器進一步比較每個理想二極體的陽極與控制極間之電壓差異，以如第2圖及第3圖所示實施例之作動原理控制每個理想二極體的第一功率電晶體的導通或關閉，當理想二極體的第一功率電晶體導通時，理想二極體100_1、100_2、100_3、100_4之陽極與陰極之電壓降係遠小於其內部的功率二極體之正向導通電壓Vr，而導致功率二極體關閉。
根據本發明一實施例，根據本發明提供之理想二極體100、100_1、100_2、100_3、100_4內的比較器可以是磁滯式比較器，以避免因輸入比較器的訊號的雜訊，造成比較器輸出訊號的不穩定，影響理想二極體內的第一功率電晶體導通或關閉的控制，進而影響理想二極體之表現。
根據本發明之理想二極體是自驅動的，其無需外部訊號功率，可直接代替一般的功率二極體，並且具有低傳導耗損的特性。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
100:理想二極體
101:第一功率電晶體
102:功率二極體
103:比較器
104:電源供應器
CS:控制極
S:源極
D:汲極
G:閘極
V1:比較器正電源輸入
V2:比較器負電源輸入
S1:差動正訊號端
S2:差動負訊號端
IN1:供應器正電源輸入
IN2:供應器負電源輸入
OUT1:供應器正電源輸出
OUT2:供應器負電源輸出
A:理想二極體陽極
K:理想二極體陰極

Claims (10)

  1. 一種理想二極體，其包含：一第一功率電晶體，包含一源極、一汲極以及一閘極；一功率二極體，包含一陽極與一陰極，其中該陽極連接該源極，該陰極連接該汲極；一比較器，包含一比較器正電源輸入、一比較器負電源輸入、一差動正訊號端、一差動負訊號端以及一比較器輸出端，其中該差動正訊號端連接該源極，該比較器輸出端連接該閘極；以及一電源供應器，包含一供應器正電源輸入、一供應器負電源輸入、一供應器正電源輸出以及一供應器負電源輸出，其中該供應器正電源輸入連接該汲極，該供應器負電源輸入連接該源極，該供應器正電源輸出連接該比較器正電源輸入，該供應器負電源輸出連接該比較器負電源輸入；其中，該理想二極體之一陽極係連接該功率二極體之該陽極，該理想二極體之一陰極係連接該功率二極體之該陰極，且該理想二極體之一控制極連接該比較器之該差動負訊號端。
  2. 如請求項1所述之理想二極體，其中該比較器根據該理想二極體之該陽極與該控制極之間的電壓差異，輸出一控制訊號至該比較器輸出端，以輸出至該第一功率電晶體之該閘極，從而控制該第一功率電晶體。
  3. 如請求項1或2所述之理想二極體，其中該控制及更連接一閘極驅動器，且該閘極驅動器為一MOSFET閘極驅動器。
  4. 如請求項1或2所述之理想二極體，其中該控制極更連接一第二 功率電晶體及一閘極驅動器，且該差動正訊號端更連接一電感及一負載。
  5. 如請求項1或2所述之理想二極體，其中該控制極更連接一第二功率電晶體及一閘極驅動器，且該差動正訊號端更連接一負載。
  6. 如請求項1或2所述之理想二極體，其中該控制極更連接複數個第二功率電晶體及一閘極驅動器。
  7. 如請求項6所述之理想二極體，其中該比較器係一磁滯式比較器。
  8. 如請求項1或2所述之理想二極體，其中該第一功率電晶體係一III-V族功率電晶體。
  9. 如請求項1或2所述之理想二極體，其中該電源供應器係一直流電源供應器。
  10. 如請求項1或2所述之理想二極體，其中該比較器係一磁滯式比較器。
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