CN101682720A - 在降压变换器中耗尽型器件的栅极驱动方案 - Google Patents

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Abstract

一种用于驱动开关级的电路，该开关级包括串联连接在开关节点处的控制和同步开关，所述控制和同步开关中的至少一个为标准接通耗尽型器件，该电路包括：栅极驱动器，其包括用于分别为同步和控制开关产生栅极驱动信号的第一和第二开关级，第一开关级具有第一驱动器输出节点，而第二开关级具有第二驱动器输出节点，来自第一节点的信号驱动同步开关，而来自第二节点的信号驱动控制开关；以及连接到第一和第二开关级的电路，该电路包括提供第一电压源的第一电路，第一电路耦合到第一开关级和同步开关。

Description

在降压变换器中耗尽型器件的栅极驱动方案
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求2007年6月27日提交的且标题为“GATE DRIVINGSCHEME FOR DEPLETION MODE DEVICE IN BUCK CONVERTERS”的美国临时专利申请系列号60/946,550的优先权，其全部内容由此通过引用被并入。
发明背景
本发明涉及例如在降压变换器(buck converter)中的耗尽型器件的栅极驱动器，尤其是涉及产生用于提供负电压偏移的栅极驱动信号，该负电压偏移用于断开(turn off)耗尽型器件。
当耗尽型器件例如GaN器件的栅极到源极电压为零时，该器件在接通(ON)状态。为了断开(OFF)耗尽型器件，参照源极，负电压需要施加在其栅极上。用于增强型功率MOSFET的栅极驱动器不能直接操作耗尽型器件。因此，必须发展新方案来驱动耗尽型器件。
所需要的是供耗尽型器件的栅极驱动器使用的新驱动方案，且特别是在DC/DC降压变换器电路中。
发明内容
本发明的目的是提供一种电路，其允许栅极驱动器向标准(normal)接通耗尽型器件的栅极提供负电压。
所提供的是用于驱动开关级(stage)的电路，该开关级包括串联连接在开关节点(switching node)处的控制和同步开关，所述控制和同步开关中的至少一个为标准接通耗尽型器件，该电路包括：栅极驱动器，其包括用于分别为同步和控制开关产生栅极驱动信号的第一和第二开关级，第一开关级具有第一驱动器输出节点，而第二开关级具有第二驱动器输出节点，来自第一节点的信号驱动同步开关，而来自第二节点的信号驱动控制开关；以及连接到第一和第二开关级的电路，该电路包括第一电路和第二电路，第一电路提供第一电压源，第一电路耦合到第一开关级和同步开关，来自所述第一电压源的第一偏压由所述第一开关级切换，所述第一开关级具有其中所述同步开关接通的第一状态以及其中所述第一偏压切换到所述同步开关的栅极以断开所述同步开关的第二状态，第二电路包括使用第二偏压充电的第一能量存储器件，第二开关电路具有其中当所述同步开关断开时所述控制开关接通的第一状态，并具有其中当所述同步开关接通时通过将所述第二偏压切换到所述控制开关的栅极来断开所述控制开关的第二状态。
从参考附图的本发明的下面的描述中，本发明的其它特征和优点将变得明显。
附图的简要说明
图1a是具有标准接通控制和同步器件的同步(sync)降压变换器电路的图示；
图1b是示出用于驱动图1a的同步降压变换器电路的控制和同步器件的信号的曲线；
图2a是具有标准断开控制和标准接通同步器件的同步降压变换器电路的图示；
图2b是示出用于驱动图2a的同步降压变换器电路的控制和同步器件的信号的曲线；
图3a-3f是驱动同步降压变换器的各种电路的图示，其中控制开关和同步开关都是标准接通器件；
图4a-4d是驱动同步降压变换器的电路的图示，其中只有同步开关是标准接通开关；
图5a-5b是驱动同步降压变换器的电路的图示，其中只有同步开关是标准接通器件；以及
图6是驱动同步降压变换器的电路的图示，其中控制开关和同步开关都是标准接通开关。
本发明的实施方式的详细描述
图1a和2a示出具有标准接通同步开关器件G2的同步降压变换器的两种配置。图1a的变换器对于控制开关G1和同步开关器件G2使用标准接通器件。图2a的变换器只对于同步开关G2使用标准接通器件，而对于控制开关Q1使用标准断开开关。因此，图1b示出驱动图1a的变换器电路的控制开关G1和同步开关G2所需要的栅极波形，而图2b示出驱动图2a的变换器电路的控制开关Q1和同步开关G2所需要的栅极波形。
图3a-3f示出驱动同步降压变换器的配置，其中控制开关和同步开关都是标准接通器件。图3a-3f示出具有在开关节点SW处串联连接的控制和同步开关G1和G2系列的变换器级。同步开关具有连接在其两端的齐纳二极管。控制开关G1进一步连接到电压源Vin，而同步开关G2连接到接地。包括感应器L和电容器C的LC滤波器以及负载R连接到开关节点。对于图3a-3f，控制和同步开关G1和G2都是标准接通GaN HEMT(高电子迁移率晶体管)器件。
转到图3a，控制控制和同步开关G1和G2的驱动器12包括高和低开关级14和16。每个开关级包括第一P沟道开关18、22以及第二N沟道开关20、24。虽然示出互补开关，但所有的开关可具有相同的类型，以适当的控制信号来确保每个驱动器级的开关被交替地接通，如本领域技术人员已知的。开关对18和20以及22和24对于高级14在开关节点HDr连接并对低级16在开关节点LDr连接。驱动器的高级的开关节点HDr连接到控制开关G1的栅极端子，而驱动器的低级的开关节点LDr连接到控制开关G2的栅极端子。
在图3a所示的本发明的降压电路的第一实施方式中，电路包括第一和第二电压源Vdr1和Vdr2、电容器C1和二极管D1。高级14的开关18的源极端子连接到开关节点SW。电容器C1连接在高级14的开关18和20的源极端子之间。第二电压源Vdr2的正极端子连接到控制开关G1的漏极。二极管D1连接在高级14的开关20的源极端子(阳极)和第二电压源Vdr2的负极端子(阴极)之间。
低级16的开关22的源极端子连接到同步开关G2的源极。第一电压源Vdr1的正极端子连接到低级16的开关22的源极端子，而第一电压源Vdr1的负极端子连接到低级16的开关24的源极端子。
图3a的电路如下操作：
当开关18接通而开关20断开时(在这里为了简单起见忽略死区时间(dead time))，G1的栅极连接到其源极，而控制开关G1接通。
同时，在同步沟道侧上，开关22断开，而开关24接通。这将-Vdr1置于G2的栅极到源极，所以同步开关断开。当开关18断开时，开关20接通。然而，在开关18断开之前，电容器C1经由二极管D1通过控制开关G1，在图3a所示的方向上被充电到高于Vin的Vdr2。当开关20接通(且18断开)时，C1两端的电压耦合在控制开关的栅极-源极路径两端，使得G1的栅极的电压相对于其源极为负。因此，控制开关断开。最后，在相同的时间，在同步侧上，开关22接通而开关24断开。这将同步开关的源极耦合到其栅极，因此同步开关接通。
现在转到图3b，在本发明的降压电路的该实施方式中，电路包括电压源Vdr1、电容器C1和二极管D1。二极管D1的阴极连接到第一电压源Vdr1的正极端子。
图3b的电路与图3a的电路类似地工作。当开关18接通时，G1的栅极耦合到控制开关的源极，则其被接通。同时，电容器C1通过D1以及到地的接通控制开关充电到Vin。
开关20此时断开。
开关22断开，而开关24接通，所以G2的栅极具有相对于其源极施加到其的-Vdr1，所以它断开。
当开关20接通(18断开)时，G1的栅极相对于其源极达到-Vin(在C1两端充电)，且它断开。同时，开关22接通，而开关24断开。G2的栅极连接到其源极，因而它接通。
因此，电路通过使用驱动器电路来操作，以转换控制和同步开关的栅极-源极路径两端的电压源或所储存的能量，从而使它们接通或断开。
图3c的实施方式的降压电路类似于图3b的电路。它包括位于电容器C1和二极管D1的阳极之间的电阻器R1，以限制C1从Vin的充电。
图3d的降压电路实施方式也只包括一个电压源Vdr1、电容器C1、二极管D1和N沟道开关MBS。高级14的开关18的源极端子连接到开关节点SW。电容器C1连接在高级14的开关18和20的源极端子之间。低级16的开关22的源极端子连接到同步开关G2的源极。电压源Vdr1的正极端子连接到低级16的开关22的源极端子，而第一电压源Vdr1的负极端子连接到低级16的开关24的源极端子。二极管D1的阳极连接到高级14的开关20的源极端子，而其阴极连接到开关MBS的漏极。MBS的栅极由节点LDr控制，而当开关22接通时MBS接通(且同步开关62接通)。MBS的源极连接到低级16的开关24的源极端子。图3e通过用电阻器R1替换二极管D1来更改上面的电路。开关MBS像自举(bootstrap)电路一样运行，当开关22接通且同步开关接通时从Vdr1充电。在图3e中，电容器C1通过R1而不是二极管D1充电。
图3f的降压电路实施方式只包括一个电压源Vdr1、三个电容器C1、C2和C3、以及三个二极管D1、D2和D3。电容器C1连接在高级14的开关18和20的源极端子之间。电压源Vdr1的正极端子连接到低级16的开关22的源极端子，而第一电压源Vdr1的负极端子连接到低级16的开关24的源极端子。二极管D1的阳极连接到电压源Vdr1的正极端子，而其阴极连接到高级14的开关18的源极端子。电容C2连接在高级14的节点HDr和控制开关G1的栅极端子之间，而二极管D2的阳极连接在控制开关G1的栅极端子和高级14的开关20的源极端子之间，其也连接到开关节点SW。电容器C3连接在低级16的节点LDr和同步开关G2的栅极端子之间，而二极管D3的阳极连接在同步开关G2的栅极端子和低级16的开关24的源极端子之间，其也连接到同步开关的漏极。
当同步开关G2接通时，电容器C1通过D1从Vdr1充电，如同自举电容器电路一样。当开关18接通时，标准接通控制开关接通。
当开关24接通时，同步开关G2断开。当开关22接通时，电容器C3通过二极管D3充电到Vdr1。当开关24接通时，使G2的栅极的电压相对于源极变成负的，且同步开关断开。
为了断开控制开关，开关20被接通并断开。当开关18接通时，电容器C2由电容器C1上的电荷充电。当开关20接通时，电容器C2上的电荷置于G1的栅极-源极路径两端，使得G1的栅极的电压相对于源极为负，使控制开关断开。
当开关22接通时，标准接通同步开关G2接通。
图4a-4d示出供变换器使用的配置，其中只有同步开关是标准接通开关，而控制开关G1是标准断开增强型节点器件。
图4a的降压电路实施方式包括一个电压源Vdr1、两个电容器C1和C5以及两个二极管D1和D5。电容器C1连接在高级14的开关18和20的源极端子之间。电压源Vdr1的正极端子连接到低级16的开关22的源极端子，而第一电压源Vdr1的负极端子连接到低级16的开关24的源极端子。二极管D1的阳极连接到电压源Vdr1的正极端子，而其阴极连接到高级14的开关18的源极端子。电容C5连接在低级16的节点LDr和同步开关G2的栅极端子之间，而二极管D5的阳极连接在同步开关G2的栅极端子和低级16的开关24的源极端子之间，其也连接到同步开关的漏极。
图4a的电路如下操作：
当开关22接通时，电容器C5通过开关22和D5从Vdr1充电。标准接通同步开关G2接通。开关20也接通，且控制开关G1断开，因为它不是耗尽器件且其栅极通过开关20连接到其源极。电容器C1通过二极管D1和接通同步开关G2充电到Vdr1。为了打开控制开关，开关18接通，且C1上的电荷被提供到G1的栅极，使增强型控制开关接通。同时，当开关24接通时同步开关断开。当开关22接通时，储存在C5上的电荷从源Vdr1被提供到同步开关G2的栅极-源极路径两端，使得栅极的电压相对于源极为负，使同步开关断开。
图4b-4d的降压电路实施方式包括第二电压源Vdr2。在图4b中，不是连接到电压源Vdr1，二极管D1的阳极连接到第二电压源Vdr2的正极端子，且当同步开关G2接通时，C1从Vdr2充电。图4c的实施方式通过用P沟道控制开关M5代替二极管D5来更改图4b的实施方式。二极管D5和开关M5可集成到驱动器12中。当开关22接通时，开关M5接通。
图4d示出低级16的开关22的漏极端子连接到同步开关G2的栅极端子以及电压源Vdr1连接在低级16的开关22和24的源极端子之间的实施方式(如同图3a一样)。电容器C1连接在高级14的开关18和20的源极端子之间。二极管D1连接到电压源Vdr2的正极端子和高级14的开关18的源极端子。低驱动器与图3a的低驱动器类似地操作。
上述电路将耗尽型器件从0V驱动到-Vcc，例如-7V。上述电路的稍微更改可使驱动器能够从Vcc1到Vcc2，例如，对于作为控制或同步FET的标准接通器件，-3V到-10V或-4V到3V。
图5a-5b示出用于同步降压变换器的更改的配置，其中控制开关是增强型硅FET，而同步开关是标准接通器件并且有三个电压源。
图5a示出一种配置，其类似于图4b的配置，但增加了第三电压源。相应地，图5b示出一种配置，其类似于图4d的配置，但在低级16的开关22的源极端子和同步开关G2的栅极端子之间增加了第三电压源。
在图5a的电路中，当开关24接通时，耗尽型同步开关通过经由开关22在C5两端充电的组合电压Vdrv1+Vdrv3而被断开。
在图5b的电路中，当开关22接通时，同步开关接通。这将-Vcc1置于栅极-源极路径两端。该晶体管接通，在其栅极为-Vcc1。为了使开关G2断开，甚至绝对值更大的负电压-(Vcc1+Vcc2)通过开关24提供到G2的栅极-源极路径两端。
图6示出用在同步降压变换器上的另一更改的配置，两个开关都是标准接通型并使用两个偏压。在该电路中，开关G1和G2在第一负栅极-源极电压保持接通，并在甚至绝对值更大的负栅极-源极电压处断开。图6的降压电路实施方式包括两个电压源Vcc1和Vcc2、两个电容器C6和C7、两个二极管D6和D7、以及两个N沟道开关Mbs1和Mbs2。电压源Vcc1连接在低级16的开关22和24的源极端子之间，而电压源Vcc2连接在低级16的开关22的源极端子和同步开关G2的源极之间。电容器C6连接在高级14的开关20的源极端子和开关节点SW之间。电容器C7连接在高级14的开关18的源极端子和开关节点SW之间。开关Mbs1的第一端子通过二极管D6连接到高级14的开关20的源极端子，而其第二端子连接到低级16的开关24的源极端子。开关Mbs2的第一端子通过二极管D7连接到高级14的开关18的源极端子，而其第二端子连接到低级16的开关22的源极端子。开关Mbs1和Mbs2的栅极端子连接到低级16的节点LDr，并在开关22接通时接通。
在图6的电路中，当开关22接通且同步开关因而接通时，电容器C6和C7被充电。电容器C6通过D6、Mbs1和同步开关充电到Vcc1+Vcc2。电容器C7通过D7、Mbs2和同步开关充电到Vcc2。当开关22接通时，G2的栅极在-Vcc2，所以G2接通。这允许电容器C6和C7如所讨论的充电。
当开关22接通时，开关20也接通。这将G1的栅极连接到C6的电压(-(Vcc1+Vcc1))，使得G1的栅极的电压相对于源极为负且绝对值更大了(more negative)。G1因此断开。
当开关24和18接通时，G2的栅极由开关24驱动到-(Vcc1+Vcc1)，所以G2断开。同时，当开关18接通，-Vcc2由C7提供到G1的栅极-源极路径两端，所以它接通。
虽然相对于其中特定的实施方式描述了本发明，但很多其它变化和更改以及其它使用将对本领域技术人员将变得明显。因此，优先地，本发明不被这里的特定公开所限制。

Claims (25)

1.一种电路，其用于驱动开关级，所述开关级包括串联连接在开关节点处的控制开关和同步开关，所述控制开关和所述同步开关中的至少一个为标准接通耗尽型器件，所述电路包括：
栅极驱动器，其包括用于分别为所述同步开关和所述控制开关产生栅极驱动信号的第一开关级和第二开关级，所述第一开关级具有第一驱动器输出节点，而所述第二开关级具有第二驱动器输出节点，来自第一节点的信号驱动所述同步开关，而来自第二节点的信号驱动所述控制开关；以及
连接到所述第一开关级和所述第二开关级的电路，所述电路包括：
提供第一电压源的第一电路，所述第一电路耦合到所述第一开关级和所述同步开关，来自所述第一电压源的第一偏压由所述第一开关级切换，所述第一开关级具有其中所述同步开关接通的第一状态以及其中所述第一偏压切换到所述同步开关的栅极以断开所述同步开关的第二状态；以及
第二电路，其包括使用第二偏压充电的第一能量存储器件，第二开关电路具有其中当所述同步开关断开时所述控制开关接通的第一状态，并具有其中当所属同步开关接通时通过将所述第二偏压切换到所述控制开关的栅极来断开所述控制开关的第二状态。
2.如权利要求1所述的电路，其中：
所述同步开关是耗尽型器件；以及
所述第一开关级包括在所述第一节点处具有公共连接的串联连接的交替接通的第一开关和第二开关，所述第一节点连接到所述同步开关的栅极，所述第一开关响应于第一控制信号控制所述同步开关接通，而所述第二开关响应于第二控制信号向所述同步开关的所述栅极提供所述第一偏压，使得所述同步开关的栅极电压相对于所述同步开关的源极为负，从而将所述同步开关断开。
3.如权利要求2所述的电路，其中：
所述控制步开关是耗尽型器件；以及
所述第一能量存储器件包括从电压源充电的第一电容器；
所述第二开关级包括在所述第二节点处具有公共连接的串联连接的交替接通的第三开关和第四开关，所述第二节点连接到所述同步开关的栅极，所述第三开关响应于第三控制信号控制所述控制开关接通，而所述第四开关响应于第四控制信号向所述控制开关的栅极提供所述第一电容器两端的所述充电的电压，使得所述控制开关的栅极电压相对于所述源极为负，从而将所述控制开关断开。
4.如权利要求3所述的电路，其中当所述控制开关接通时，所述第一电容器被充电。
5.如权利要求4所述的电路，其中所述电压源包括第二电压源，且所述第一电容器通过二极管耦合到所述第二电压源。
6.如权利要求4所述的电路，其中所述电压源包括母线电压源，所述母线电压源提供连接到所述开关级的负载并耦合在所述控制开关和所述同步开关两端。
7.如权利要求6所述的电路，还包括将所述第一电容器耦合到所述母线电压的负侧的二极管。
8.如权利要求7所述的电路，还包括与所述二极管串联的电阻器，用于限制到所述第一电容器的充电电流。
9.如权利要求3所述的电路，还包括将所述第一电容器耦合到所述第一电压源的另一受控开关，由此当所述同步开关接通且所述另一个受控开关接通时，所述第一电容器通过所述同步开关和所述另一受控开关从所述第一电压源充电。
10.如权利要求9所述的电路，其中当所述第一开关接通时，所述另一受控开关接通。
11.如权利要求9所述的电路，还包括将所述第一电容器耦合到所述另一受控开关的二极管。
12.如权利要求9所述的电路，还包括将所述第一电容器耦合到所述另一受控开关的二极管。
13.如权利要求3所述的电路，其中：
当所述同步开关接通时，所述第一电容器由所述第一电压源充电。
14.如权利要求13所述的电路，还包括：
第二电容器，其串联耦合在所述第二节点和所述控制开关的栅极之间；以及
第三电容器，其耦合在所述第一节点和所述同步开关的栅极之间；
耦合在所述控制开关的栅极和源极之间的二极管，所述二极管允许当所述第三开关接通时，所述第二电容器从所述第一电容器充电；
耦合在所述同步开关的栅极和源极之间的二极管，所述二极管允许当所述第一开关接通时，所述第三电容器从所述第一电压源充电；
所述第二电容器耦合在所述控制开关的栅极-源极路径两端，以当所述第四开关接通时，相对于所述控制开关的源极将负电压置于所述控制开关的栅极上，从而将所述控制开关接通；
所述第三电容器耦合在所述同步开关的栅极-源极路径两端，以当所述第二开关接通时，相对于所述同步开关的源极将负电压置于所述同步开关的栅极上，从而将所述同步开关接通。
15.如权利要求2所述的电路，其中所述第一节点通过另一电容器耦合到所述同步开关的栅极，其中二极管耦合在所述同步开关的栅极-源极路径两端，以允许所述另一电容器从所述第一电压源充电；
以及其中所述第二开关级包括在所述第二节点处具有公共连接的串联连接的交替接通的第三开关和第四开关，所述第二节点连接到所述控制开关的栅极，所述第三开关通过向所述控制开关的栅极提供所述第一电容器上的所述充电的电压以将所述控制开关接通，响应于第三控制信号，来接通所述控制开关；
所述第四开关响应于第四控制信号断开所述控制开关；
其中所述控制开关是增强型器件；以及
当所述第二开关接通时，所述另一电容器上的所述充电的电压通过所述第二开关耦合在所述同步开关的栅极-源极路径两端，从而相对于所述同步开关的源极将负电压置于所述同步开关的栅极，将所述同步开关断开；
当所述第一开关接通时，所述同步开关接通。
16.如权利要求15所述的电路，其中当所述同步开关接通时，所述第一电容从所述第一电压源充电。
17.如权利要求16所述的电路，还包括将所述第一电容器耦合到所述第一电压源的二极管。
18.如权利要求17所述的电路，还包括：
二极管，所述二极管耦合在所述同步开关的栅极-源极路径两端，允许所述另一电容器通过所述第一开关从所述第一电压源充电。
19.如权利要求15所述的电路，其中所述第一电容器通过二极管从第二电压源充电。
20.如权利要求19所述的电路，还包括：
二极管，所述二极管耦合在所述同步开关的栅极-源极路径两端，允许所述另一电容器通过所述第一开关从所述第一电压源充电。
21.如权利要求19所述的电路，还包括耦合在所述同步开关的栅极-源极路径两端的受控开关，允许所述另一电容器通过所述第一开关从所述第一电压源充电，当所述第一开关接通时，所述受控开关接通。
22.如权利要求2所述的电路，其中所述第二开关级包括在所述第二节点处具有公共连接的串联连接的交替接通的第三开关和第四开关，所述第二节点连接到所述控制开关的栅极，所述第三开关通过向所述控制开关的栅极提供所述第一电容器上的所述充电的电压以将所述控制开关接通，响应于第三控制信号，来接通所述控制开关；
所述第四开关响应于第四控制信号断开所述控制开关；
其中所述控制开关是增强型器件。
23.如权利要求19所述的电路，还包括与耦合在所述同步开关的栅极-源极路径两端的二极管串联的第三电压源，由此所述另一电容器被充电到所述第一电压源和所述第三电压源的组合电压。
24.如权利要求22所述的电路，还包括耦合在所述第一电压源和所述同步开关的源极之间的第三电压源，
在所述第一开关接通时，当所述第三电压源耦合在所述同步开关的栅极-源极路径两端时，所述同步开关接通，以及
在所述同步开关的栅极-源极路径两端提供所述第一电压源和所述第三电压源的所述组合电压，使得当所述第二开关接通时，所述同步开关的栅极的电压相对于所述同步开关的源极为负且绝对值更大了，从而断开所述同步开关。
25.如权利要求3所述的电路，还包括第二电压源以及第一受控开关和第二受控开关，
其中当所述第一受控开关接通且所述同步开关接通时，所述第一电容器通过所述第一受控开关耦合成由所述第一电压源和所述第二电压源充电；以及
还包括耦合到所述第一电容器的第二电容器，使得所述第一电容器和所述第二电容器的公共连接处耦合到所述控制开关的源极；以及
其中当所述第二受控开关接通且所述同步开关接通时，所述第二电容器通过所述第二受控开关耦合成由所述第二电压源充电，
当所述第一开关接通时，所述第一受控开关和所述第二受控开关接通。
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