使用雙極達(dá)林頓器件作為功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)變換器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種開(kāi)關(guān)變換器電路，包括作為主開(kāi)關(guān)元件的具有達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的雙極器件。開(kāi)關(guān)控制電路向第一基極端子提供電流驅(qū)動(dòng)以導(dǎo)通所述達(dá)林頓雙極器件。開(kāi)關(guān)控制電路向所述第一基極端子和內(nèi)基極端子提供弛張電路關(guān)斷所述達(dá)林頓雙極器件。本發(fā)明還公開(kāi)了使用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)相關(guān)的開(kāi)關(guān)控制器IC。
【專(zhuān)利說(shuō)明】使用雙極達(dá)林頓器件作為功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)變換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及開(kāi)關(guān)變換器。本發(fā)明特別涉及(但不限于)利用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的雙極晶體管的開(kāi)關(guān)變換器。
【背景技術(shù)】
[0002]在圖1和圖2中示出現(xiàn)有技術(shù)的開(kāi)關(guān)變換器電路。圖1和圖2之間的主要區(qū)別在于主開(kāi)關(guān)元件的選擇。在圖1中，主開(kāi)關(guān)元件是雙極晶體管117，而在圖2中主開(kāi)關(guān)元件是MOSFET 217。
[0003]雙極晶體管比MOSFET廉價(jià)得多。然而，MOSFET是優(yōu)選的，尤其是在較高輸出功率的情況下。這是由于如下原因:
[0004](a)雙極晶體管需要持續(xù)的基極電流以使其保持導(dǎo)通狀態(tài)，而MOSFET僅需要柵極電容的充電來(lái)使其導(dǎo)通。
[0005](b)具有高擊穿電壓(如600-700V)的功率雙極晶體管的電流增益通常不高(約10至25，或者甚至在一些情況下小于10)。這使得用于驅(qū)動(dòng)基極的功率相當(dāng)大，當(dāng)功率變換器將高功率傳遞至其輸出端時(shí)尤其如此。開(kāi)關(guān)變換器電路的效率將隨之降低。
[0006]通過(guò)使用達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的雙極晶體管(或稱(chēng)為達(dá)林頓對(duì))，有效電流增益是各個(gè)晶體管的電流增益的乘積。因此，能夠容易地獲得幾百的有效電流增益，并且由于基極驅(qū)動(dòng)引起的功率損耗能夠降低至與相同功率級(jí)的MOSFET對(duì)應(yīng)部件的柵極驅(qū)動(dòng)所引起的功率損耗相若。然而，商業(yè)上可供使用的達(dá)林頓晶體管通常為3引腳封裝，其中B為第一個(gè)基極，而E為最后一個(gè)發(fā)射極，如圖4所示。易于通過(guò)小的基極電流使達(dá)林頓晶體管導(dǎo)通，但是由于內(nèi)基極處的基極弛張(圖4中晶體管402或404的基極引腳)，關(guān)斷很緩慢。因此，由于從導(dǎo)通狀態(tài)至關(guān)斷狀態(tài)的緩慢開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換在開(kāi)關(guān)器件上產(chǎn)生大量的熱，所以不適用于開(kāi)關(guān)變換器應(yīng)用。這造成了散熱問(wèn)題以及效率降低。
[0007]另一用于非隔離型LED照明應(yīng)用的典型開(kāi)關(guān)變換電路示于圖3中。該功率開(kāi)關(guān)器件還是MOSFET 315而不是雙極晶體管。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服或基本上改善上述缺點(diǎn)和/或更概括地提供一種改進(jìn)的開(kāi)關(guān)變換器。
[0009]本文公開(kāi)了一種開(kāi)關(guān)變換器電路，其包括:
[0010]作為主開(kāi)關(guān)器件的達(dá)林頓雙極器件，所述達(dá)林頓雙極器件具有四個(gè)端子，即集電極、發(fā)射極、第一基極和內(nèi)基極；以及
[0011]開(kāi)關(guān)控制電路，在所述達(dá)林頓雙極器件的導(dǎo)通期間，所述開(kāi)關(guān)控制電路把連接所述內(nèi)基極的控制引腳保持為高阻抗的同時(shí)，向所述第一基極提供電流驅(qū)動(dòng)；以及
[0012]開(kāi)關(guān)控制電路，在所述達(dá)林頓開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷期間，所述開(kāi)關(guān)控制電路為所述達(dá)林頓開(kāi)關(guān)器件的第一基極端子和內(nèi)基極端子兩者均提供基極弛張。[0013]優(yōu)先選擇，所述達(dá)林頓雙極器件由兩個(gè)分立式雙極晶體管組成。
[0014]另一選擇，所述達(dá)林頓雙極器件可以由兩個(gè)分立式雙極晶體管封裝在單個(gè)四引腳封裝中組成。
[0015]優(yōu)先選擇，所述達(dá)林頓雙極器件由兩個(gè)在同一單塊式芯片上的雙極晶體管組成。
[0016]在本文中還公開(kāi)了一種開(kāi)關(guān)控制器1C，其用于控制具有由兩個(gè)雙極晶體管形成的兩個(gè)對(duì)應(yīng)的基極端子的外置達(dá)林頓晶體管，所述開(kāi)關(guān)控制器IC包括:
[0017]兩個(gè)控制引腳，其用于控制所述外置達(dá)林頓晶體管的兩個(gè)對(duì)應(yīng)的基極端子，第一控制引腳向達(dá)林頓晶體管的第一基極提供電流驅(qū)動(dòng)以導(dǎo)通達(dá)林頓晶體管，并且為達(dá)林頓晶體管的第一基極端子提供基極弛張通道以使達(dá)林頓晶體管關(guān)斷，第二控制引腳在達(dá)林頓晶體管的導(dǎo)通期間提供高阻抗?fàn)顟B(tài)，并且為達(dá)林頓晶體管的內(nèi)基極端子提供基極弛張通道以使達(dá)林頓晶體管關(guān)斷。
[0018]在本文中還公開(kāi)了一種開(kāi)關(guān)控制器1C，其集成一個(gè)開(kāi)關(guān)控制電路和達(dá)林頓對(duì)的第一晶體管，所述IC具有用于與外置雙極晶體管相接以形成所述達(dá)林頓對(duì)的下列引腳:
[0019]基極連接引腳，其作為在IC中的所述達(dá)林頓對(duì)的第一雙極晶體管的發(fā)射極，所述基極連接引腳提供基極電流從而導(dǎo)通所述外置雙極晶體管，并且還具有用于關(guān)斷所述外置雙極晶體管的基極弛張功能；以及
[0020]集電極引腳，其作為在所述達(dá)林頓晶體管對(duì)的IC中的第一雙極晶體管的集電極，所述集電極引腳連接至所述外置雙極晶體管的集電極。
[0021]在本文中還公開(kāi)了開(kāi)關(guān)變換器電路，其包括:
[0022]作為主開(kāi)關(guān)元件的達(dá)林頓雙極器件，所述達(dá)林頓雙極器件具有第一基極端子和內(nèi)基極端子；以及
[0023]用于向所述第一基極端子提供電流驅(qū)動(dòng)以導(dǎo)通所述達(dá)林頓雙極器件的裝置；
[0024]到所述第一基極端子和所述內(nèi)基極端子以關(guān)斷所述達(dá)林頓雙極器件的基極弛張電路。
[0025]達(dá)林頓雙極器件可以由分立式雙極晶體管組成。
[0026]另一選擇，達(dá)林頓雙極器件可以由兩個(gè)在同一單塊式芯片上的雙極晶體管組成。
[0027]達(dá)林頓器件可以設(shè)置在例如單個(gè)四引腳封裝中。
[0028]達(dá)林頓雙極器件的第一雙極晶體管可以與開(kāi)關(guān)控制電路一起封裝為單個(gè)集成電路(1C)。用于IC內(nèi)的第一雙極晶體管的發(fā)射極和內(nèi)基極弛張電路的引腳連接至外置雙極晶體管的基極，并且IC內(nèi)的第一雙極晶體管的集電極引腳連接至外置雙極晶體管的集電極以將所述達(dá)林頓晶體管有效地形成為具有所發(fā)明的控制電路的功率開(kāi)關(guān)器件。
[0029]在優(yōu)選的電路構(gòu)造中，達(dá)林頓雙極晶體管結(jié)構(gòu)的內(nèi)基極直接可達(dá)并且連接至有源器件以加快關(guān)斷時(shí)間。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1描繪了使用雙極晶體管作為功率開(kāi)關(guān)器件的現(xiàn)有技術(shù)的隔離型開(kāi)關(guān)變換應(yīng)用；
[0031]圖2描繪了使用MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)器件的現(xiàn)有技術(shù)的隔離型開(kāi)關(guān)變換應(yīng)用；
[0032]圖3描繪了使用MOSFET作為功率開(kāi)關(guān)器件的用于LED照明的現(xiàn)有技術(shù)的非隔離型開(kāi)關(guān)變換應(yīng)用；
[0033]圖4更詳細(xì)地示意性地示出了兩種典型的3引腳達(dá)林頓雙極晶體管；
[0034]圖5示意性地描繪了本發(fā)明實(shí)施例的使用分立式部件的隔離型開(kāi)關(guān)變換應(yīng)用；
[0035]圖6是本發(fā)明實(shí)施例的使用開(kāi)關(guān)控制器IC的隔離型開(kāi)關(guān)變換應(yīng)用的另一示意性描繪；
[0036]圖7是體現(xiàn)本發(fā)明的用于LED照明的非隔離型開(kāi)關(guān)變換應(yīng)用的示意性描繪；以及
[0037]圖8示意性地示出了將所述開(kāi)關(guān)控制電路與達(dá)林頓雙極晶體管的第一雙極晶體管集成在一起作為單個(gè)集成電路(1C)。
【具體實(shí)施方式】
[0038]在圖5中，二極管501、502、503和504形成將AC輸入整流成高壓DC的二極管電橋。電容器505用作高壓DC的濾波電容器。電阻器507是提供初始電流以便在上電時(shí)開(kāi)始工作的啟動(dòng)電阻器。啟動(dòng)電流進(jìn)入雙極晶體管514的基極。雙極晶體管514和515形成達(dá)林頓晶體管開(kāi)關(guān)器件。該基極電流產(chǎn)生流經(jīng)變壓器519的繞組Lp的集電極電流，因此還產(chǎn)生流經(jīng)變壓器519的繞組La、流經(jīng)電阻器513和電容器510的電流，以進(jìn)一步提高到達(dá)晶體管514的基極電流。集電極電流隨后續(xù)增加，并且因此發(fā)射極電流(接近集電極電流)增力口。這將使得電阻器517處的電壓升高。當(dāng)電阻器517兩端的電壓足夠高以使雙極晶體管508和511均導(dǎo)通時(shí)，晶體管508去除來(lái)自晶體管514 (達(dá)林頓對(duì)的第一晶體管)的基極電荷，而晶體管511去除來(lái)自晶體管515 (達(dá)林頓對(duì)的內(nèi)晶體管)的基極電荷。這將以快速響應(yīng)時(shí)間關(guān)斷該達(dá)林頓對(duì)。變壓器519隨后將所存儲(chǔ)的能量釋放到次級(jí)繞組Ls和輔助繞組La中。在次級(jí)電路中，二極管520用作整流二極管，而電容器524用作濾波電容器。在初級(jí)電路中，二極管527用作整流二極管，而電容器506用作用于La繞組的濾波電容器。另夕卜，二極管518、電阻器512以及高壓電容器509 —起形成初級(jí)繞組Lp的緩沖器電路。在完成從Lp至Ls和La的能量傳遞時(shí),跨Lp、Ls和La的電壓返回至零。因此，La和二極管527之間的節(jié)點(diǎn)將從大約-0.7V跳躍至跨電容器506的電壓。這樣隨后將開(kāi)始使電流經(jīng)由電容器510和電阻器513再次進(jìn)入晶體管514的基極。這種能量傳遞循環(huán)將繼續(xù)，直到次級(jí)電路中的DC輸出達(dá)到由二極管526的齊納電壓限定的期望電壓加上光耦合器521中的發(fā)光二極管(LED)523的正向電壓。電阻器525用作限流電阻器。當(dāng)DC輸出位于期望電壓以上時(shí)，光耦合器521內(nèi)的LED 523導(dǎo)通，這使得光耦合器521內(nèi)的光電晶體管522導(dǎo)通。隨后，晶體管508和晶體管511兩者均導(dǎo)通，而晶體管514和晶體管515關(guān)斷。然后，禁止開(kāi)關(guān)變換循環(huán)。當(dāng)DC輸出降至期望值以下時(shí)，開(kāi)關(guān)變換循環(huán)將重新開(kāi)始，這使光耦合器521內(nèi)的LED 523關(guān)斷并且使光耦合器521內(nèi)的光電晶體管522關(guān)斷。通過(guò)經(jīng)由光耦合器521的反饋控制，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載調(diào)節(jié)。
[0039]圖6是本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例?；旧?，該實(shí)施例用達(dá)林頓晶體管對(duì)617替代了在圖1或圖2中的功率開(kāi)關(guān)器件(分別是117和217)并且為晶體管627的基極(B2)增加基極弛張電路628和629。為了關(guān)斷達(dá)林頓晶體管對(duì)617，反相器628將BI信號(hào)反相并且導(dǎo)通MOSFET 629，這提供了使晶體管627的基極電荷放電的低阻抗通道。開(kāi)關(guān)控制器IC608和用于基極弛張的附加的控制電路(628和629)優(yōu)選地被集成到單個(gè)集成電路(IC)中。
[0040]圖7是用于LED照明的在非隔離型開(kāi)關(guān)變換器中采用本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例。該電路是通過(guò)將圖3中的MOSFET功率開(kāi)關(guān)315替換為由雙極晶體管717和718形成的達(dá)林頓晶體管對(duì)以及在關(guān)斷期間為晶體管718的基極增加基極弛張電路而形成的。在關(guān)斷狀態(tài)期間反相器719將BI信號(hào)反相以導(dǎo)通M0SFET720從而提供用于將晶體管718的基極電荷放電的低阻抗通道。此外，開(kāi)關(guān)控制器IC和附加的基極弛張電路能夠被集成到單個(gè)集成電路(IC)中。
[0041]在達(dá)林頓晶體管對(duì)中，由于大部分電流以及因此散熱與第二雙極晶體管相關(guān)聯(lián)，由于第一雙極晶體管散熱不是限制因素，因此可以將第一雙極晶體管與該關(guān)聯(lián)的開(kāi)關(guān)控制器IC一起集成到單個(gè)芯片中。此外，這為用戶提供了將標(biāo)準(zhǔn)的功率雙極晶體管用作第二晶體管以有效地形成達(dá)林頓對(duì)的靈活性。在圖8中，801是開(kāi)關(guān)控制器1C，而802是達(dá)林頓對(duì)的第一雙極晶體管。這些能夠被集成到單個(gè)封裝中。
[0042]圖示了使用兩個(gè)雙極晶體管的達(dá)林頓雙極結(jié)構(gòu)。然而，本構(gòu)思可以擴(kuò)展至使用多個(gè)(多于兩個(gè))雙極晶體管。
【權(quán)利要求】
1.一種開(kāi)關(guān)變換器電路，包括: 作為主開(kāi)關(guān)器件的達(dá)林頓雙極器件，所述達(dá)林頓雙極器件具有四個(gè)端子，即集電極、發(fā)射極、第一基極和內(nèi)基極；以及 開(kāi)關(guān)控制電路，在所述達(dá)林頓雙極器件的導(dǎo)通期間，所述開(kāi)關(guān)控制電路把連接內(nèi)基極的控制引腳保持為高阻抗的同時(shí)，向所述第一基極提供電流驅(qū)動(dòng)；以及 開(kāi)關(guān)控制電路，在所述達(dá)林頓雙極器件的關(guān)斷期間，所述開(kāi)關(guān)控制電路為所述達(dá)林頓雙極器件的第一基極端子和內(nèi)基極端子兩者均提供基極弛張。
2.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)變換器電路，其中所述達(dá)林頓雙極器件由分立式雙極晶體管組成。
3.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)變換器電路，其中所述達(dá)林頓雙極器件由兩個(gè)分立式雙極晶體管封裝在單個(gè)四引腳封裝中組成。
4.如權(quán)利要求1所述的開(kāi)關(guān)變換器電路，其中所述達(dá)林頓雙極器件由兩個(gè)在同一單塊式芯片上的雙極晶體管組成。
5.一種開(kāi)關(guān)控制器1C，其用于控制具有由兩個(gè)雙極晶體管(分立式的或單塊式的)組成有兩個(gè)對(duì)應(yīng)基極端子的外置達(dá)林頓晶體管，所述開(kāi)關(guān)控制器IC包括: 兩個(gè)控制引腳，其用于控制所述外置達(dá)林頓晶體管的兩個(gè)對(duì)應(yīng)的基極端子，第一控制引腳向所述達(dá)林頓晶體管的第一基極提供電流驅(qū)動(dòng)以導(dǎo)通所述達(dá)林頓晶體管，并且為所述達(dá)林頓晶體管的所述第一基極端子提供基極弛張通道以使所述達(dá)林頓晶體管關(guān)斷，第二控制引腳在所述達(dá)林頓晶體管的導(dǎo)通期間進(jìn)入高阻抗?fàn)顟B(tài)，并且為所述達(dá)林頓晶體管的內(nèi)基極端子提供基極弛張通道以使所述達(dá)林頓晶體管關(guān)斷。
6.一種開(kāi)關(guān)控制器1C，其集成有開(kāi)關(guān)控制電路和達(dá)林頓對(duì)的第一晶體管，所述IC具有用于與外置雙極晶體管相接以形成所述達(dá)林頓對(duì)的下列引腳: 基極連接引腳，其作為在IC中的所述達(dá)林頓對(duì)的所述第一雙極晶體管的發(fā)射極，所述基極連接引腳提供外置雙極晶體管的基極電流，從而導(dǎo)通所述外置雙極晶體管，并且還具有用于關(guān)斷所述外置雙極晶體管的基極弛張功能；以及 集電極引腳，其作為在所述達(dá)林頓對(duì)的IC中的所述第一雙極晶體管的所述集電極，所述集電極引腳連接至所述外置雙極晶體管的所述集電極。
【文檔編號(hào)】H02M1/092GK103840672SQ201310553749
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2013年11月8日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月27日
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