专利名称：在降压变换器中耗尽型器件的栅极驱动方案的利记博彩app
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"GATEDRIVING SCHEME 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。
背景技术：
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la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lb是示出用于驱动图la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
8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la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la的变换器对于控制开关Gl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Ql使用标准断开开关。因此，图lb示出驱动图la的变换器电 路的控制开关Gl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Ql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Gl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Gl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Gl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Gl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4册4及端子。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Vdrl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Cl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Gl的漏极。 二极管Dl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Vdrl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 Vdrl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 (deadtime)), Gl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-Vdrl 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Gl,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，Cl两端的电压耦合在控制开关的柵极-源极路径两端， 使得Gl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Vdrl、电容器Cl和二极管Dl。 二极管Dl的阴极连接到第一电压源 Vdrl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，Gl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4妄通控制开关充电到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-Vdrl，所以它断开。
当开关20接通(18断开)时，Gl的栅极相对于其源极达到-Vin (在 Cl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 Cl和二极管Dl的阳极之间的电阻器Rl,以限制Cl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Vdrl、电容器C1、 二 极管Dl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Cl连4妻在高级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Vdrl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Vdrl的负极端 子连接到低级16的开关24的源极端子。二极管Dl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的漏板。MBs的栅极由节 点LDr控制，而当开关22接通时Mss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Rl替换 二极管Dl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Vdrl充电。在图3e中，电容器C1通 过R]而不是二极管Dl充电。
图3f的降压电路实施方式只包括一个电压源Vdrl、三个电容器C1、 C2和C3、以及三个二极管Dl、 D2和D3。电容器Cl连接在高级14的开 关18和20的源极端子之间。电压源Vdrl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Vdrl的负极端子连接到低级16的开关 24的源极端子。二极管Dl的阳极连接到电压源Vdrl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Gl的栅极端子之间，而二极管D2的阳极连接在控制开关 Gl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
ii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Vdrl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Vdrl。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Cl上的电荷充电。当开关20接通时，电容器C2上的电 荷置于Gl的栅极-源极路径两端，使得Gl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Vdrl、两个电容器Cl和 C5以及两个二极管Dl和D5。电容器Cl连接在高级14的开关18和20 的源极端子之间。电压源Vdrl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Vdrl的负极端子连接到低级16的开关24的源极 端子。二极管Dl的阳极连接到电压源Vdrl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Vdrl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Cl通过二极管 Dl和接通同步开关G2充电到Vdrl。为了打开控制开关，开关18接通， 且C1上的电荷被提供到Gl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 Vdrl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Vdrl， 二极管Dl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，Cl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Vdrl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—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Dl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OV驱动到-Vcc，例如-7V。上述电路的稍微 更改可使驱动器能够从Vccl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Vdrvl+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-Vccl置 于栅极-源极路径两端。该晶体管接通，在其栅极为-Vccl。为了使开关G2
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
13准接通型并使用两个偏压。在该电路中，开关Gl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Vccl和Vcc2、两个电容器C6和C7、 两个二才及管D6和D7、以及两个N沟道开关Mbsl和Mbs2。电压源Vccl 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Mbsl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Mbsl和Mbs2的栅极端子连接到低级16的节点 LDr，并在开关22^妻通时^妄通。
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、 Mbsl和同步开关充电到Vccl+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Gl的栅极连接到C6的电压 (-(Vccl+Vccl))，使得Gl的栅极的电压相对于源极为负且绝对值更大了 (more negative)。 Gl因》匕断开。
当开关24和18接通时，G2的栅极由开关24驱动到-(Vccl+Vccl)， 所以G2断开。同时，当开关18接通，-Vcc2由C7提供到Gl的栅极-源 极路径两端，所以它4娄通。
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。
权利要求
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l所迷的电路，其中所迷同步开关是耗尽型器件；以及所迷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将所述同步开关断开。
3. 如权利要求2所迷的电路，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^l妻通所述控制开关；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組合电压。
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。
全文摘要
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。
文档编号H04N7/01GK101682720SQ200880015972
公开日2010年3月24日 申请日期2008年6月27日 优先权日2007年6月27日
发明者博 杨, 詹森·张, 迈克尔·布莱伊尔 申请人:国际整流器公司