改進型柵極鉗位的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及用于開關(guān)的柵極鉗位技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]一些電路可以使用功率變換器將來自電源的輸入電壓或電流變換(例如，升壓(boost)或降壓(buck))為經(jīng)調(diào)整的輸出電壓或電流，用于為部件、電路或其它電氣裝置提供電力?；陂_關(guān)的功率變換器可以使用一個或多個開關(guān)和一種或多種信號調(diào)制技術(shù)來調(diào)整輸出。雜散電感是一種與功率變換器相關(guān)聯(lián)的寄生效應。功率變換器的布線、功率變換器的連接、功率變換器的電氣部件的幾何布置、功率變換器的電流路徑的長度、以及功率變換器的去耦合電容器的位置等，均可以引起雜散電感。功率變換器的電流路徑的電流電平變化可以導致基于寄生或雜散電感的寄生電壓脈沖。寄生電壓脈沖的幅度可以由雜散電感的大小以及電流隨時間變化的梯度(di/dt)限定。寄生電壓脈沖增加了正常運行電壓，兩者之和可能會超過開關(guān)的容許電壓(例如，額定電壓)并且可能會毀壞開關(guān)。而且，寄生電壓脈沖可能會在功率變換器的其余部分以及相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)中引入基于電磁干擾(EMI)的噪聲，并且/或者可能會使測量值或者普通功率變換器和/或系統(tǒng)的行為訛誤。例如，寄生效應和雜散電感可以在功率變換器的一個或多個開關(guān)處引起過電流、過電壓、或者其它類型的故障，尤其是當開關(guān)在開關(guān)的接通狀態(tài)下運行與在開關(guān)的斷開狀態(tài)下運行之間轉(zhuǎn)換時(例如，當開關(guān)接通或斷開時)。
[0003]一些功率變換器可以包括用于限制寄生效應和雜散電感的特性或特征。雖然寄生效應和雜散電感可以被限制和降低，但是一些寄生效應和雜散電感的存在是不可避免的。此外，一些功率變換器可以使用固定跨接在功率變換器的一個或多個部件的鉗位元件，來使這些部件免于被由寄生效應和雜散電感誘發(fā)的、在功率變換器的故障模式期間可能會發(fā)生或正發(fā)生的、潛在的或?qū)嶋H的過電流、過電壓或者其它故障條件(failure condit1n)所損壞。然而，使用固定鉗位元件可能會減小功率變換器的運行電壓并且/或者會降低功率變換器系統(tǒng)的總效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]總體而言，描述了技術(shù)和電路，用于選擇性地將在功率變換器的開關(guān)處的電壓和/或電流鉗位，以避免即將發(fā)生的或?qū)嶋H的故障條件(例如，過電壓和/或過電流)損壞開關(guān)。功率變換器(例如，降壓或升壓變換器、逆變器等)可以包括至少一個開關(guān)，并且可以使用信號調(diào)制技術(shù)來使開關(guān)接通和/或斷開，以將輸入電壓變換為經(jīng)調(diào)整的輸出電壓和/或電流。
[0005]功率變換器可以進一步包括可切換鉗位元件，用于將跨開關(guān)的電壓和/或電流鉗位，以防止電壓和/或電流達到可以損壞開關(guān)的電平。當功率變換器檢測到的跨開關(guān)的電壓指示有實際的或可能的故障條件的風險時，功率變換器“啟用(enable) ”可切換鉗位元件(例如，接通可切換鉗位元件，并且使可切換鉗位元件在接通狀態(tài)下運行)。通過啟用可切換鉗位元件，在滿足可切換鉗位元件的閾值或其它啟動準則的情況下，功率變換器配置可切換鉗位元件，以產(chǎn)生通過可切換鉗位元件的額外的電流路徑，以便從開關(guān)轉(zhuǎn)移走由故障條件引起的過剩電流。當跨開關(guān)的電壓沒有指示有實際的或可能的故障條件的風險時，功率變換器“禁用(disable)”可切換鉗位元件(例如，斷開可切換鉗位元件)。通過禁用可切換鉗位元件，即使?jié)M足可切換鉗位元件的閾值或其它啟動準則，功率變換器也配置可切換鉗位元件，以防止產(chǎn)生通過可切換鉗位元件的額外的電流路徑。
[0006]在一個示例中，本公開涉及一種電路，其包括開關(guān)、耦合至開關(guān)的可切換鉗位元件、以及被配置用于至少部分基于驅(qū)動器控制信號來控制開關(guān)的驅(qū)動器。驅(qū)動器進一步被配置用于啟用或禁用可切換鉗位元件?？汕袚Q鉗位元件被配置為，當可切換鉗位元件被驅(qū)動器啟用時，并且當跨開關(guān)的電壓或在開關(guān)處的電流滿足用于啟動可切換鉗位元件的閾值時，將跨開關(guān)的電壓鉗位。
[0007]在另一示例中，本公開涉及一種方法，其包括，通過被配置用于控制開關(guān)的驅(qū)動器，至少部分基于跨開關(guān)的電壓或在開關(guān)處的電流，來控制耦合至開關(guān)的可切換鉗位元件；其中可切換鉗位元件被配置為，當可切換鉗位元件被驅(qū)動器啟用時，并且當跨開關(guān)的電壓或在開關(guān)處的電流滿足用于啟動可切換鉗位元件的閾值時，將跨開關(guān)的電壓鉗位。
[0008]在另一示例中，本公開涉及一種電路，其包括用于至少部分基于跨開關(guān)的電壓或在開關(guān)處的電流來控制耦合至開關(guān)的可切換鉗位元件的裝置；其中可切換鉗位元件被配置為，當可切換鉗位元件被驅(qū)動器啟用時，并且當跨開關(guān)的電壓或在開關(guān)處的電流滿足用于啟動可切換鉗位元件的閾值時，將跨開關(guān)的電壓鉗位。
[0009]將在下面的附圖和說明中闡明一個或多個示例的細節(jié)。本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將由說明和附圖以及由權(quán)利要求書而變得更加顯而易見。
【附圖說明】
[0010]圖1是圖示了根據(jù)本公開的一個或多個方面的用于變換來自電源的功率的示例系統(tǒng)的框圖。
[0011]圖2是圖示了圖1所示的示例系統(tǒng)的功率變換器的一個示例的框圖。
[0012]圖3是圖示了根據(jù)本公開的一個或多個方面的包括改進型柵極鉗位的示例變換器單元的電路圖。
[0013]圖4是圖示了根據(jù)本公開的一個或多個方面的包括用于提供改進型柵極鉗位的升壓器的另一示例變換器單元的電路圖。
[0014]圖5是圖示了圖3所示的示例變換器單元和圖4所示的另一示例變換器單元的示例驅(qū)動器的框圖。
[0015]圖6是圖示了根據(jù)本公開的一個或多個方面的示例功率變換器的示例操作的流程圖。
[0016]圖7是圖示了本公開的一個或多個方面的各種時序特性的時序圖。
【具體實施方式】
[0017]在一些應用中，功率變換器(以下稱為“變換器”)可以將來自電源的輸入電壓變換(例如，通過升壓或者降壓)為，用于裝置(例如，負載)的經(jīng)調(diào)整的輸出電壓或電流。功率變換器可以具有包括一個或多個開關(guān)(例如，MOS功率開關(guān)晶體管、基于氮化鎵(GaN)的開關(guān)或者其它類型的開關(guān)裝置)的半橋。例如，半橋可以包括在切換節(jié)點處耦合至的低側(cè)開關(guān)的高側(cè)開關(guān)。通過利用調(diào)制技術(shù)來控制半橋的開關(guān)，變換器可以調(diào)整在半橋的切換節(jié)點處的電流或電壓的量。半橋的開關(guān)的這種調(diào)制可以根據(jù)脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖密度調(diào)制(PDM)、或者其它適當?shù)恼{(diào)制技術(shù)來進行。
[0018]由于在開關(guān)處的雜散電感電平的作用，當開關(guān)接通或者斷開時，在開關(guān)周期內(nèi)在開關(guān)處可能會發(fā)生故障條件(例如，超出半橋的部件的額定電壓或額定電流的電壓尖峰或電流尖峰)。例如，功率變換器可能容易受到引起跨開關(guān)的過電流和/或過電壓尖峰的一定量的電氣噪聲或輻射的影響。過電流、過電壓或者其它類型的故障條件可以在開關(guān)處產(chǎn)生超過開關(guān)的運行額定值的并且可能會損壞開關(guān)的電流和/或電壓電平。在一些情況下，考慮到可能的過電流、過電壓或其它故障條件，在功率變換器中使用具有更高運行容差的開關(guān)。具有更聞運行容差的開關(guān)可能會使電路的成本提聞。
[0019]一些功率變換器可以包括這樣的特性，用于最大程度地減小由于在開關(guān)處的雜散電感的作用而產(chǎn)生的EMI和噪聲，從而限制過電流、過電壓或其它故障條件的頻率和/或強度，以防止在開關(guān)處的電壓或電流超出開關(guān)的運行額定值。例如，一些功率變換器可以包括額外的屏蔽，以最大程度地減少在開關(guān)處的外部電輻射和噪聲的量。雖然一些功率變換器可以被設(shè)計和/或被操作用于最大程度地減少EMI和噪聲，但是幾乎永遠不能將在功率變換器的開關(guān)處的EMI和噪聲完全消除或限制到零電平。
[0020]一些功率變換器可以包括所謂的“固定鉗位元件”或者“固定鉗位器”(例如，齊納二極管、瞬態(tài)電壓抑制(TVS) 二極管、雪崩二極管、或者可以用作“鉗位器”以抑制電壓和/或電流的其它電氣電路和/或部件)，其跨開關(guān)設(shè)置，并且被配置用于抑制在開關(guān)處的電壓和/或電流尖峰并且被配置用于避免由在開關(guān)處的故障條件引起的潛在的損壞。例如，一些功率變換器可以包括跨開關(guān)設(shè)置的并且被配置以作為固定鉗位元件的齊納二極管。當在開關(guān)處的并且跨固定鉗位元件的電壓滿足固定鉗位元件的閾值或其它啟動準則時(例如，當在開關(guān)處的電壓超過了齊納二極管的擊穿電壓時)，通過固定鉗位元件創(chuàng)建電流路徑。電流路徑通過固定鉗位元件轉(zhuǎn)移走過剩電流，并且使開關(guān)免受過電壓的影響。由固定鉗位元件創(chuàng)建的額外電流路徑，使得將跨開關(guān)的電壓限制或鉗位于，保持于或者低于固定鉗位元件的閾值(例如，齊納二極管的擊穿電壓)的電平。換言之，固定鉗位元件限制了在開關(guān)處的電壓，使其不超過固定鉗位元件的閾值和開關(guān)的最大電壓。
[0021]貫穿本公開，術(shù)語“鉗位元件”和“鉗位器”用于描述用于抑制或?qū)㈦妷汉?或電流鉗位的任何電氣裝置、部件或電路。術(shù)語“固定鉗位器”和“固定鉗位元件”的使用是指不能被“禁用”或“斷開”的鉗位器和鉗位元件。例如，在鉗位器或鉗位元件被固定時，如果跨固定鉗位元件或固定鉗位器的電壓滿足了固定鉗位元件的閾值或其它啟動準則，則無法禁用固定鉗位器或固定鉗位元件，以及無法阻止固定鉗位器或固定鉗位元件形成通過固定鉗位器或固定鉗位元件的電流路徑。換言之，采用固定鉗位器或固定鉗位元件，如果滿足了閾值或其它啟動準則，則總是能夠通過固定鉗位器或固定鉗位元件形成電流路徑。
[0022]下面將對各種類型的可切換鉗位元件進行描述，并且所描述的電路和技術(shù)廣泛適用于這些類型的可切換鉗位元件中的每一類型。例如，一種類型的可切換鉗位元件是“常啟用(normally-enabled)”(例如，“常通”)類型的可切換鉗位元件。常啟用或常通類型的可切換鉗位元件指的是，即使驅(qū)動器不正在控制可切換鉗位元件以及/或者驅(qū)動器未被供電也能將跨開關(guān)的電壓鉗位的可切換鉗位元件。如果連接了驅(qū)動器，那么驅(qū)動器可以控制可切換鉗位元件以禁用可切換鉗位元件；否則，啟用常啟用或常通類型可切換鉗位元件。在一些示例中，常通類型的可切換鉗位元件可以模型化為與鉗位器串聯(lián)的常通晶體管(例如，耗盡型MOS晶體管)。
[0023]例如，第二種類型的可切換鉗位元件是“常禁用”(例如，“常斷”)類型的可切換鉗位元件。常禁用或常斷類型的可切換鉗位元件指的是這樣的可切換鉗位元件，其不能將跨開關(guān)的電壓鉗位，除非驅(qū)動器不正在控制可切換鉗位元件并且/或者驅(qū)動器被供電以便啟用可切換鉗位元件。如果連接了驅(qū)動器，那么驅(qū)動器可以控制可切換鉗位元件以啟用可切換鉗位元件；否則，禁用常禁用或常斷類型可切換鉗位元件。在一些示例中，常斷類型的可切換鉗位元件可以被模型化為與鉗位器串聯(lián)的常斷晶體管(例如，增強型MOS晶體管)。
[0024]通過使用僅依賴閾值(例如，擊穿電壓)或其它啟動準則來使開關(guān)免受故障條件影響的固定鉗位元件，固定鉗位元件可以限制功率變換器，使其不在超過固定鉗位元件的閾值或其它啟動準則的更高的工作電壓下運行。換言之，一些使用固定鉗位元件的功率變換器的最大工作電壓可以基于固定鉗位元件的閾值或其它啟動準則，而不是基于功率變換器的開關(guān)的實際電壓額定值。為此，固定鉗位元件可以防止一些功率變換器在固定鉗位元件的容差窗口之外運行，即使受固定鉗位元件保護的開關(guān)可能具有指示開關(guān)可以在超過該容差窗口的更高工作電壓下運行的電壓額定值。
[0025]可以通過減慢開關(guān)速度(更低的di/dt)或者通過降低正常運行電壓，來減小由于雜散電感引入的寄生電壓脈沖的影響而在開關(guān)處發(fā)生過電壓的風險。減慢開關(guān)速度和降低正常運行電壓兩者都可能對功率變換器的總效率有負面影響。更慢的開關(guān)速度可能會導致更多的開關(guān)損耗，這是因為增加了開關(guān)在接通狀態(tài)與斷開狀態(tài)(反之亦然)之間的轉(zhuǎn)換時間的長度。降