TWI596875B - 具實質增加輸入對輸出電壓比之iii族氮化物開闢之降壓轉換器 - Google Patents

具實質增加輸入對輸出電壓比之iii族氮化物開闢之降壓轉換器 Download PDF

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Description

具實質增加輸入對輸出電壓比之III族氮化物開關之降壓轉換器 定義
於本申請案中，“III族氮化物”係指包含氮及至少一III族元素之化合物半導體，其等諸如GaN,AlGaN,InN,AlN,InGaN,InAlGaN等，惟不限於此。
本發明一般係在電路領域中。更特別的是，本發明係在電壓轉換電路領域中。
降壓轉換器普通用來將高DC電壓轉換成低DC電壓。降壓轉換器通常包含配置在降壓轉換器之輸入與輸出間之開關(於本申請案中亦稱為“高側開關”)以及配置在降壓轉換器之輸出與接地間之開關(於本申請案中亦稱為“低側開關”)。降壓轉換器可包含控制電路，適當地控制高側及低側開關之工作循環，以將高輸入電壓轉換成低輸出電壓。為使降壓轉換器達到輸入電壓對輸出電壓之較佳高轉換比，高側開關須以百分比夠低的工作循環操作。然而，高側開關之工作循環受到其切換速度限制。
於習知降壓轉換器中，可針對高側及低側開關之每一者使用諸如高電壓金屬氧化物半導體FET(MOSFET)之高電壓矽場效電晶體(FET)。然而，由於在高電壓矽FET之切換速度上的限制，因此，習知降壓轉換器要達到遠大於約10.0之轉換速度之轉換比(亦即輸入電壓對輸出電壓之比)可能有困難。結果，可能需要二個或更多的習知降壓轉換器階段來將諸如約310.0伏特之高DC電壓轉換成驅動特定負載所需之極低DC電壓，從而，大幅增加成本。
具有用來實質地增加輸入對輸出電壓比III族氮化物開關之降壓轉換器實質上如圖式之至少一者所示及/或結合其等所說明，及如於申請專利範圍更完全說明。
本發明係有關用於實質增加之輸入對輸出電壓比之具有III族氮化物開關之降壓轉換器。以下說明包含屬於本發明之實施之具體資訊。熟於本技藝人士當知本發明可以異於本申請案具體說明之方式實施。而且，為避免模糊本發明，不討論本發明的某些具體細節。
本申請案之圖式及其後附詳細說明僅指向本發明之例示性實施例。為保簡明，於本申請案中不具體說明且不以圖式具體顯示本發明之其他實施例。
第1圖顯示根據本發明之一實施例，耦接於AC電源與負載間之例示性電壓轉換電路之電路圖。電壓轉換電路100耦接於諸如AC線之AC電源102與負載104間，並包含電磁干擾(EMI)濾波器106、全橋整流器108、電容器110及降壓轉換器112。EMI濾波器106包含電感器114及116以及電容器118；且降壓轉換器112包含控制電路120、快速III族氮化物開關122、低電阻開關124、電感器126及電流感測器128。包含串聯耦接之LED 130、132及134之負載104於本發明之實施例中可為電流驅動之負載。於一實施例中，負載104可為電壓驅動負載，其可例如為微處理器或數位信號處理器。於其他實施例中，負載104可包含諸如LED 130、132及134之一或更多串聯耦接之LEDs。
如於第1圖中所示，AC電源102於節點136，跨電感器114之第一端子、全橋整流器108之第一AC輸入及電容器118之第一端子耦接，電感器114之第二端子於節點138與電感器116之第一端子及電容器118之第二端子耦接，且電感器116之第二端子於節點140與全橋整流器108之第二AC輸入耦接。於本發明之實施例中，AC電源102可提供例如於約110.0伏特AC與約120.0伏特AC之間。於其他實施例中，AC電源102可提供約220.0伏特AC。包含電感器114及116以及電容器118之EMI濾波器106形成用來過濾高頻干擾之低通濾波器。
亦顯示於第1圖中，電容器110之第一端子於節點142耦接至全橋整流器108之正輸出，電容器110之第二端子於節點144耦接至全橋整流器108之負輸出，該負輸出亦對電壓轉換電路100提供接地。電容器110可於節點142對全橋整流器108所輸出之未經調節之DC電壓提供濾波，其亦形成降壓轉換器112之輸入。於本發明之實施例中，全橋整流器108可從AC電源102接收約120.0伏特之AC電壓，並於節點142(亦即降壓轉換器112之輸入)提供約170.0伏特DC。在AC電源102提供約220.0伏特之實施例中，全橋整流器108可於節點142提供約310.0伏特DC。如於第1圖中所示，輸入電壓(Vin)146對應在節點142輸入降壓轉換器112之DC電壓。
又於第1圖中顯示，快速III族氮化物開關122之第一端子與節點142(亦即降壓轉換器112之輸入)耦接，快速III族氮化物開關122之第二端子於節點148與可為降壓電感器之電感器126之第一端子及低電阻開關124之第一端子耦接，且低電阻開關124之第二端子於節點144(亦即接地)與全橋整流器108之負輸出耦接。快速III族氮化物開關122係可最優化以提供極高切換速度之高電壓裝置。例如，於本發明之實施例中，快速III族氮化物開關122可在數十億分之一秒內從off狀態切換到on狀態。
於本發明之實施例中，快速III族氮化物開關122可例如包括與空乏模式(D模式)III族氮化物裝置耦接之矽電晶體，以及跨矽電晶體耦接之諸如肖基二極體之矽二極體。矽電晶體可配置成使D模式III族氮化物裝置於增強模式(E模式)中操作。矽電晶體可例如為諸如低電壓矽MOSFET之低電壓矽FET。D模式III族氮化物裝置可包括III族氮化合物半導體。D模式III族氮化物裝置係具有減少電荷儲存及高遷移導通頻道之高電壓裝置，其使D模式III族氮化物裝置可導通高電流。由於減少電荷儲存，因此，D模式III族氮化物裝置提供增高之效率及操作頻率。
可為高電壓裝置之低電阻開關124可最佳化以提供低導通狀態電阻。於一實施例中，低電阻開關124可如以上針對快速III族氮化物開關122所說明，例如包括與D模式III族氮化物裝置耦接之矽電晶體，以及跨矽電晶體耦接之諸如肖基二極體之矽二極體。於另一實施例中，低電阻開關124可包括與具有低導通狀態電阻之D模式III族氮化物裝置串聯耦接之肖基二極體。於另一實施例中，低電阻開關124可包括諸如肖基二極體之矽二極體。
亦於第1圖中顯示，電感器126之第二端子於節點150與LED 130之陽極耦接，其形成降壓轉換器112之輸出及電壓轉換電路100之輸出。節點150亦提供輸出電壓(Vout )152，其係降壓轉換器112所產生之DC輸出電壓。又於第1圖中顯示，LED 130之陰極與132之陽極耦接，LED 132之陰極與LED 134之陽極耦接，且LED 134之陰極於節點154與控制電路120之反饋輸入及電流感測器128之第一端子耦接。LED 130、132及134之每一者可例如為高功率LED，於本發明之實施例中，其可能需要約4.0伏特DC之驅動電壓及約150毫安(mA)與約1.5安培間之驅動電流。因此，為驅動串聯耦接之LED 130、132及134，Vout 152可約為12.0伏特DC。於負載包括諸如LED 130,132或134之高功率LED之實施例中，Vout 152可約為4.0伏特DC。
又於第1圖中顯示，電流感測器128之第二端子於節點144與全橋整流器108之負輸出耦接。於本發明之實施例中，電流感測器128可例如包括至少一電阻。亦於第1圖中顯示，控制電路120經由控制線156及158而與快速III族氮化物開關122及低電阻開關124之個別第3端子(亦即控制端子)耦接。在低電阻開關124包括無指定控制端子的諸如二極體之裝置之實施例中，不使用控制線158。控制電路120可配置成控制快速III族氮化物開關122及低電阻開關124之個別工作循環，以響應於節點154所提供之反饋信號，適當地調整輸出電流160。
快速III族氮化物開關122及低電阻開關124之個別工作循環可藉由使用可於控制線156及158提供之脈幅調變(PWM)控制信號來控制。快速III族氮化物開關122之工作循環可為電阻開關124之工作循環之反相。如此，當快速III族氮化物開關122導通時，低電阻開關124即切斷，反之亦然。於一實施例中，快速III族氮化物開關122可具有例如約1.0%之工作循環，且低電阻開關124可具有例如約99.0%之工作循環。
可最優化快速III族氮化物開關122，使其具有極高切換速度。結果，降壓轉換器112可達到實質大於10之輸入高電壓對輸出低電壓比(亦即電壓轉換比)。於本發明之實施例中，降壓轉換器112可達到實質大於20之轉換比。於一實施例中，降壓轉換器112之轉換比可至少為100。因此，例如，降壓轉換器112可將約310.0伏特DC之輸入電壓(亦即Vin 146)轉換成約4.0伏特DC之輸出電壓(亦即Vout 152)或更少。
為達到Vin 146對Vout 152之高比例，低電阻開關124須導通實質上較快速III族氮化物開關122更長之期間。例如，於本發明之實施例中，低電阻開關124可導通約為降壓轉換器112之導通時間之約98.0%。結果，低電阻開關124可產生遠較快速III族氮化物開關122更多的熱。然而，藉由最優化低電阻開關124，使之具有極低導通時間電阻，其(亦即低電阻開關124)所產生之熱量即可大幅減少。藉由減少導通時間電阻，低電阻開關124所消耗之能量可大幅減少。
如此，藉由使用快速III族氮化物開關122及低電阻開關124，本發明實施例之降壓轉換器即可提供100或更高的輸入電壓對輸出電壓比。相較之下，使用包括諸如高電壓矽MOSFET之高電壓矽FET之習知降壓轉換器在達到大於約10.0之電壓轉換比方面可能有困難。因此，本發明之降壓轉換器之實施例可提供實質較習知降壓轉換器更高的電壓轉換比。結果，本發明之降壓轉換器之實施例可達到習知降壓轉換器可能需要二或更多階段才能達到的電壓轉換比。因此，例如，本發明之降壓轉換器之實施例可將約310.0伏特之高DC輸入電壓減低至約4.0伏特之低DC輸出電壓，這足以驅動單一高功率LED。
第2圖顯示根據本發明之另一實施例，耦接於AC電源與負載間之例示性電壓轉換電路之電路圖。於第2圖之電壓轉換電路200中，AC供應電壓202、EMI濾波器206、全橋整流器208、電容器210及218、電感器214、216及226、控制電路220、快速III族氮化物開關222、低電阻開關224、節點238、240、242、244、248及250、Vin 246及Vout 252分別對應第1圖之電壓轉換電路100中之AC供應電壓102、EMI濾波器106、全橋整流器108、電容器110及118、電感器114、116及126、控制電路120、快速III族氮化物開關122、低電阻開關124、節點138、140、142、144、148及150、Vin 146及Vout 152。於第1圖之電壓轉換電路100中，降壓轉換器112驅動負載104，該負載104可為電流從動負載。相較之下，於電壓轉換電路200中，降壓轉換器212驅動負載205，該負載205可為電流從動負載。
如於第2圖中所示，負載205耦接於節點250處之降壓轉換器212之輸出與節點244處之全橋整流器208之負輸出(亦即接地)之間。負載205可例如為微處理器、數位信號處理器(DSP)或需要低DC電壓之其他裝置。亦於第2圖中顯示，控制電路220耦接至節點250。如此，控制電路220可配置成控制快速III族氮化物開關222及低電阻開關224之個別工作循環，以響應在節點250供應之反饋信號，適當調整輸出電壓(亦即Vout)252。本發明之降壓轉換器212之實施例可提供與如第1圖之電壓轉換電路100中本發明之降壓轉換器112之實施例類似的優點，像是極高之輸入對輸出電壓比。
第3圖顯示根據本發明之一實施例，例示性快速III族氮化物開關之電路圖。於本發明之一實施例中，第3圖之快速III族氮化物開關322可針對高切換速度最優化，並可用於第1圖之快速III族氮化物開關122及第2圖之快速III族氮化物開關222。於本發明之實施例中，快速III族氮化物開關322亦可用於第1圖之低電阻開關124及第2圖之低電阻開關224。然而，當用於低電阻開關124或低電阻開關224時，快速III族氮化物開關322可最佳化以提供低導通狀態電阻。快速III族氮化物開關322具有端子309、311及313，並包含矽電晶體307、D模式III族裝置303及肖基二極體305。矽電晶體307可例如為低電壓矽MOSFET之低電壓矽FET。D模式III族裝置303可包含III族氮化合物半導體。
如於第3圖中所示，矽電晶體307耦接至D模式III族裝置303，且肖基二極體305跨矽電晶體307耦接。特別是，肖基二極體305陽極耦接至矽電晶體307之源極，且D模式III族裝置303之閘極及肖基二極體305之陰極耦接至矽電晶體307之汲極及D模式III族裝置303之源極。於本發明之實施例中，肖基二極體305可為低電壓矽肖基二極體。於一實施例中，肖基二極體305可與矽電晶體307成為一體。
亦於第3圖中所示，D模式III族裝置303之閘極、快速III族氮化物開關322之矽電晶體307之源極以及肖基二極體305之陽極耦接至快速III族氮化物開關322之端子309，矽電晶體307之閘極耦接至端子311，且D模式III族裝置303之汲極耦接至快速III族氮化物開關322之端子313。因此，例如，快速III族氮化物開關322之個別端子309、311及313可耦接至第1圖中之節點142、控制線156及節點148，以替代快速III族氮化物開關122。於一實施例中，快速III族氮化物開關322之個別端子309、311及313可耦接至節點144、控制線158及節點148，以替代第1圖中的低電阻開關124。
D模式III族裝置303通常位於裝置上。然而，藉由如上述矽電晶體307與D模式III族裝置303耦接，矽電晶體307使D模式III族裝置303於增強模式(E模式)中操作。例如，當矽電晶體307導通時，D模式III族裝置303亦導通，藉此容許電流流經矽電晶體307及D模式III族裝置303。當矽電晶體307切斷時，D模式III族裝置303因遍及矽電晶體307產生的電壓而切斷。藉由包含矽電晶體307及D模式III族裝置303，快速III族氮化物開關322提供減少之電荷儲存，從而提供增高之效率及增加之操作頻率。
肖基二極體305亦提供減少之電荷儲存，這提供增高之效率及操作頻率。此外，肖基二極體305提供減少之反向恢復時間(亦即更快速之反向恢復)。因此，於本發明之降壓轉換器之實施例中，快速III族氮化物開關322可提供具有減少之電荷儲存之快速、高電壓開關，這提供增高之效率及操作頻率，亦提供更快速之反向恢復時間。
第4圖顯示根據本發明之一實施例，例示性低電阻開關之電路圖。於本發明之一實施例中，低電阻開關424可針對低導通狀態電阻最優化，並用於第1圖中降壓轉換器112之低電阻開關124，或用於第2圖中降壓轉換器212之低電阻開關224。低電阻開關424包含對應第3圖中D模式III族氮化物303之D模式III族氮化物403，以及對應第3圖中肖基二極體305之肖基二極體405。低電阻開關424具有耦接於肖基二極體405之陽極及D模式III族氮化物403之閘極之端子407，以及耦接於D模式III族氮化物403之汲極之端子409。於本發明之實施例中，低電阻開關424之端子407可耦接於第1圖中之節點144，而低電阻開關424之端子409則可耦接於節點148以替代第1圖中之低電阻開關124。在此一實施例中不使用控制線158。以類似方式，於本發明之實施例中，低電阻開關424亦可替代第2圖中的低電阻開關224。
於低電阻開關424中，肖基二極體405與D模式III族氮化物403串聯耦接。特別是肖基二極體405之陽極與D模式III族氮化物403之閘極耦接，且肖基二極體405之陰極與D模式III族氮化物403之源極耦接。D模式III族氮化物403通常位於裝置上。然而，藉由如上述肖基二極體405與D模式III族氮化物403串聯耦接，當其(亦即，肖基二極體405)處於相反模式時(亦即，當電流自陰極流向陽極時)，肖基二極體405使D模式III族氮化物403斷開。
例如，於前進模式中(亦即，當電流自陽極流向陰極時)，肖基二極體405導通且D模式III族氮化物403亦導通。於前進模式中遍及肖基二極體405之電壓降對屬於高電壓裝置之D模式III族氮化物403有不可忽視的效應。於相反模式中，D模式III族氮化物403斷開，結果，高電壓遍及肖基二極體405產生。因此，肖基二極體405與D模式III族氮化物403之組合可作為高電壓二極體操作，其中肖基二極體405之陽極及D模式III族氮化物403之閘極可為高電壓二極體之“陽極”，而D模式III族氮化物403之汲極可為高電壓二極體之“陰極”。藉由包含肖基二極體405與D模式III族氮化物403之串聯耦接組合，低電阻開關424提供極低導通狀態電阻及減少之電荷儲存，藉此，提供增高之效率及增加之操作頻率。
因此，如以上討論，於第1及2圖之實施例中，本發明提供一種包含快速III族氮化物開關，對高切換速度最佳化之降壓轉換器，以及對低導通狀態電阻最佳化之低電阻開關。結果，本發明提供一種降壓轉換器，其相較於使用諸如高電壓矽FETs或MOSFETs之高電壓矽電晶體之習知降壓轉換器，具有實質較高輸入高電壓對輸出低電壓比。於一實施例中，本發明之降壓轉換器可提供例如至少100之電壓轉換比。
由以上本發明之說明可知，在不悖離本發明之範疇下，可使用各種技術實施其概念。而且，雖然業已具體參考某些實施例說明本發明，本技藝中具一般技巧人士卻當知，在不悖離本發明之精神及範疇下，可在形式及細節上變化。因此，上述實施例在所有方面被視為解說性而非限制性。亦須知，本發明不限於本文所說明之特定實施例，在不悖離本發明之範疇下，可作若干重新配置、修改及替代。
100．．．電壓轉換電路
102．．．AC電源
104．．．負載
106．．．電磁干擾(EMI)濾波器
108．．．全橋整流器
110,118．．．電容器
112．．．降壓轉換器
114,116,126．．．電感器
120．．．控制電路
122．．．快速III族氮化物開關
124．．．低電阻開關
128．．．電流感測器
130,132,134．．．LED
136,138,142,144,150,154．．．節點
146．．．輸入電壓(Vin)
148．．．輸出電壓(Vout)
152．．．輸出電壓(Vout)
156,158．．．控制線
160．．．輸出電流
200．．．電壓轉換電路
202．．．AC電源
206．．．電磁干擾(EMI)濾波器
208．．．全橋整流器
210,218．．．電容器
214,216,226．．．電感器
220．．．控制電路
222,．．．快速III族氮化物開關
224．．．低電阻開關
238,240,242,244,248,250．．．節點
Vin 246．．．輸入電壓(Vin)
Vout 252．．．輸出電壓(Vout)
303．．．D模式III族裝置
305．．．肖基二極體
307．．．矽電晶體
309,311,313．．．端子
322．．．快速III族氮化物開關
403．．．D模式III族氮化物
405．．．肖基二極體
407,409．．．端子
424．．．低電阻開關
第1圖顯示根據本發明之一實施例，包含例示性降壓轉換器之例示性電壓轉換電路之電路圖。
第2圖顯示根據本發明之另一實施例，包含例示性降壓轉換器之例示性電壓轉換電路之電路圖。
第3圖顯示根據本發明之一實施例，例示性快速III族氮化物開關之電路圖。
第4圖顯示根據本發明之一實施例，例示性低電阻開關之電路圖。
100．．．電壓轉換電路
102．．．AC電源
104．．．負載
106．．．電磁干擾(EMI)濾波器
108．．．全橋整流器
110,118．．．電容器
112．．．降壓轉換器
114,116,126．．．電感器
120．．．控制電路
122．．．快速III族氮化物開關
124．．．低電阻開關
128．．．電流感測器
130,132,134．．．LED
136,138,142,144,150,154．．．節點
146．．．輸入電壓(Vin)
148．．．輸出電壓(Vout)
152．．．輸出電壓(Vout)
156,158．．．控制線
160．．．輸出電流

Claims (15)

  1. 一種降壓轉換器，用以將在該降壓轉換器之輸入的高電壓轉換成在該降壓轉換器之輸出的低電壓，該降壓轉換器包括：插設在該輸入與該輸出間的快速III族氮化物開關以及插設於該輸出與接地間的低電阻開關，其中，該快速III族氮化物開關與該低電阻開關形成直接耦接於該降壓轉換器的輸入與該接地之間的半橋；其中，該快速III族氮化物開關包含耦接至矽電晶體的第一空乏模式(D模式)III族氮化物裝置以及跨該矽電晶體耦接之第一二極體；其中，該低電阻開關包含與第二二極體串聯耦接的第二D模式III族氮化物裝置；控制電路，其配置來控制該快速III族氮化物開關之工作循環，以響應於來自該輸出的反饋信號；該低電阻開關具有低導通狀態電阻及減少的電荷儲存；該快速III族氮化物開關具有足夠高的切換速度，以容許該輸入高電壓對該輸出低電壓之比約等於或高於100。
  2. 如申請專利範圍第1項之降壓轉換器，其中，該第一二極體包含肖基二極體。
  3. 如申請專利範圍第2項之降壓轉換器，其中，該第一D模式III族氮化物裝置係GaN裝置。
  4. 如申請專利範圍第2項之降壓轉換器，其中，該肖基二極體之陽極係與該矽電晶體之源極耦接，且該肖基二極體之陰極係與該矽電晶體之汲極耦接。
  5. 如申請專利範圍第1項之降壓轉換器，其中，該第二二極體包含肖基二極體。
  6. 如申請專利範圍第5項之降壓轉換器，其中，該第二D模式III族氮化物裝置係GaN裝置。
  7. 如申請專利範圍第1項之降壓轉換器，進一步包括降壓電感器，其耦接於該快速III族氮化物開關與該降壓轉換器之該輸出間。
  8. 一種電壓轉換電路，包含一降壓轉換器，該降壓轉換器用以將在該降壓轉換器之輸入的高電壓轉換成在該降壓轉換器之輸出的低電壓，該降壓轉換器之該輸入耦接於全橋式整流器，該降壓轉換器包括：插設在該降壓轉換器之該輸入與該輸出間的快速III族氮化物開關以及插設於該降壓轉換器之該輸出與該全橋式整流器間的低電阻開關，其中，該快速III族氮化物開關與該低電阻開關形成直接耦接於該降壓轉換器的輸入與該接地之間的半橋；其中，該快速III族氮化物開關包含耦接至矽電晶體的第一空乏模式(D模式)III族氮化物裝置以及跨該矽電晶體耦接之第一二極體；其中，該低電阻開關包含與第二二極體串聯耦接的第 二D模式III族氮化物裝置；控制電路，其配置來控制該III族氮化物開關之工作循環，以響應於來自該輸出的反饋信號；該低電阻開關具有低導通狀態電阻及減少的電荷儲存；該快速III族氮化物開關具有足夠高的切換速度，以容許該輸入高電壓對該輸出低電壓之比約為100或更高。
  9. 如申請專利範圍第8項之電壓轉換電路，其中，一負載耦接於該降壓轉換器之該輸出與該全橋式整流器間。
  10. 如申請專利範圍第9項之電壓轉換電路，其中，該負載包括至少一高功率LED。
  11. 如申請專利範圍第9項之電壓轉換電路，其中，該降壓轉換器進一步包括耦接於該負載與該全橋式整流器間之電流感測器。
  12. 如申請專利範圍第8項之電壓轉換電路，其中，該第一二極體包含肖基二極體。
  13. 如申請專利範圍第8項之電壓轉換電路，其中，該第二二極體包含肖基二極體。
  14. 如申請專利範圍第8項之電壓轉換電路，進一步包括電磁干擾濾波器，其與該全橋式整流器之AC輸入耦接。
  15. 如申請專利範圍第8項之電壓轉換電路，其中，該降壓轉換器進一步包括降壓電感器，其耦接於該快速III族氮化物開關與該降壓轉換器之該輸出間。
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