用于具有常开晶体管和常关晶体管的开关的系统和方法技术方案

本申请涉及用于具有常开晶体管和常关晶体管的开关的系统和方法。根据一个实施例，一种方法包括通过第一开关来传导反向电流，所述第一开关包括与在第一开关节点和第二开关节点之间的常关晶体管串联耦合的常开晶体管。在传导反向电流时，通过经由常关晶体管的控制节点关断常关晶体管以及通过减少常开晶体管的控制节点和常开晶体管的参考节点之间的电压来减少常开晶体管的驱动电压，由此关断所述第一开关。在关断第一开关后，接通耦合到第一开关的第二开关。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及电子器件，且更具体而言，涉及用于具有常开晶体管和常关晶体管的开关的系统和方法。
技术介绍
高压开关晶体管，诸如功率MOSFET、结型场效应晶体管(JFET)和氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)，通常在诸如开关模式电源、电机控制器和高压高功率开关电路的高电压和高功率器件中被用作半导体开关。这些器件中的一些器件诸如GaNHEMT能够在非常高的电压下工作而没有器件击穿或被损坏。一些器件，诸如JFET和GaNHEMT可以被制作成具有负阈值电压，由此在这些晶体管的栅极和源极两端为零电压时使器件导电。因而这样的器件被称作“常开”器件或晶体管，因为这些器件在零偏置条件下也是有效的。在使用这样的常开晶体管时，一般进行设置以确保产生电压使得确保可以关断常开晶体管。例如，在开关模式电源中使用的驱动器电路中，提供或产生负电压，该负电压具有充分在常开晶体管的阈值之下的电压，来确保器件如期望的那样实际上被关断。或者，常开开关可以与常关开关串联连接来操作以便实现整体的常关动作。
技术实现思路
根据一个实施例，一种方法包括通过第一开关来传导反向电流，所述第一开关包括与在第一开关节点和第二开关节点之间的常关晶体管串联耦合的常开晶体管。在传导反向电流时，通过经由常关晶体管的控制节点关断常关晶体管以及通过减少常开晶体管的控制节点和常开晶体管的参考节点之间的电压来减少常开晶体管的驱动电压，来关断所述第一开关。在关断第一开关后，接通耦合到第一开关的第二开关。附图说明为了更彻底的理解本专利技术及其优点，结合附图来参考以下的描述，在附图中：图1a和1b示出了用于串联连接的开关的常规开关驱动系统；图2a至2c示出了组合开关的框图以及相关的I/V曲线和状态表；图3a至3d示出了实施例的组合开关电路以及相关的时序图；图4a、4b和4c示出了实施例的组合开关电路；图5a和5b示出了实施例的组合开关电路的波形图；图6示出了实施例的开关模式电源；以及图7示出了实施例的方法的流程图。在不同附图中相应的标号和符号一般指相应的部分，除非另有相反表示。绘制附图来清楚示出优选实施例的相关内容并且不需要按比例绘制。为了更清楚示出特定实施例，在附图标记后面跟有表示相同结构、材料或工艺步骤中的变化的字母。具体实施方式下面详细讨论本优选实施例的制作和使用。然而，应理解本专利技术提供了许多可用的创造性构思，可以在较大范围的应用场景中实现。所讨论的特定实施例仅仅是用以制作和使用本专利技术的特定方法的示例，且不能限制本专利技术的范围。在具体上下文中将参考优选实施例来描述本专利技术，用于驱动具有与常关晶体管串联耦合的常开晶体管的开关的系统和方法。本专利技术的实施例也可以应用到利用这种电路结构的多个系统，例如开关模式电源。在本专利技术的实施例中，被配置成驱动具有与常关晶体管串联的常开晶体管的组合开关的开关控制器包括：驱动器电路，被配置成如果开关工作在“二极管”模式(反向导通)则同时关断常开晶体管和常关晶体管。例如，当耦合到半桥开关的电感器起电流源作用时，可以出现这种操作模式。在一些实施例中，同时关断常开晶体管和常关晶体管可以减少由于常开晶体管的寄生电容放电而造成的功率损耗。某些类型的功率晶体管，诸如结型场效应晶体管(JFET)、氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)、碳化硅(SiC)FET和耗尽型MOSFET器件，行为上是“常开”器件，因为当在晶体管的控制节点和参考节点(这种情况下对应于晶体管的栅极和源极)之间施加零伏时这些器件处于导电状态。在一些实施例中，这些常开器件可以被实现为n沟道或p沟道器件。为了将这些晶体管关断，在晶体管的栅极和源极之间施加足够高的负栅极电压。例如，在GaNHEMT的情况下，这种反向电压可以在大约-5V和大约-8V之间。然而，在一些器件中也可以出现在这个范围以外的关断电压。因而，在一些系统中，例如利用电荷泵来产生负偏置电压的系统中，在电荷泵具有足够时间来产生足以将常开晶体管关断的足够高的负电压之前，存在常开晶体管在器件的电源供给线路之间造成短路的风险。而且，还存在在各种故障情况时的短路风险。解决这个问题的一种方式是将常开晶体管与常关晶体管串联耦合，例如级联配置中的增强型MOSFET器件，如图1a所示。如图所示，在节点S’，常开晶体管102的源极耦合到常关晶体管104的漏极，并且常关晶体管104的栅极G通过驱动电路106来驱动。二极管109表示常关晶体管104的本体二极管。此处，常关晶体管104的栅极用作由驱动器电路106驱动的控制端子，而常开晶体管102的栅极连接到常关晶体管104的源极S。在启动期间，常开晶体管和常关晶体管的串联组合是非导通的。一旦可以获得需要的电源电压，常关晶体管可以被输入信号驱动，使得常开晶体管起级联器件的作用。如果流过开关的电流被强制到反向方向，则常关晶体管104的本体二极管BD变为正向偏置，由此电流在本体二极管的极性方向流动。由于电路拓扑(即，将常开晶体管102的栅极节点G与常关晶体管104的源极节点S连接)，常开晶体管保持其接通状态，即VGD>0。具有电压VP的电压源108向驱动器电路106提供电源。因此，当驱动器电路106的输出较高时，大约VP的电压可以被提供到常关晶体管104的栅极。另一方面，当驱动器电路106的输出较低时，在晶体管104的栅极和源极之间提供零伏，由此关断常关晶体管104。然而，当组合器件操作为共源共栅时存在一些问题。首先，由于通过高电压电源而不是通过低栅极驱动器供给电压来对常开晶体管102的栅源电容进行充电，可能出现开关损耗。此外，因为常关晶体管104(为了具有低阻抗，可能是非常大的器件)的漏极电容可能出现额外的开关损耗。由于常关晶体管104的寄生漏极电容在操作期间被充电和放电，损失了功率。在一些情况下，用来驱动常关晶体管104的驱动器电路106可以参考常关晶体管的漏极，以便减少瞬态，如2014年8月29日提交的共同未决且共同转让的美国专利申请No.14/473,101描述的那样，其全部内容通过引用合并在此。共源共栅配置的另一个问题在于在常关晶体管104上可能有电压应力。例如在操作期间，在节点S’处的电压可以具有来自常开晶体管102的漏极的由于电容耦合而造成的较大的电压瞬态。换句话说，在节点S’处的电压超过了常开晶体管102的负阈值，并且在一些快速开关条件下可以达到20V和以上。在节点S’处的电压应力和开关损耗之间存在折衷。图1b示出了包括常开晶体管和常关晶体管的组合器件可以操作的另一种方式。此处，常开晶体管102的栅极G1利用驱动器107直接驱动，常关晶体管104的栅极G2根据欠电压锁定块110的输出而接通，欠电压锁定块110在电源112达到足以关断常开晶体管102的电压之后接通常关晶体管104。在正常操作期间，常关晶体管104保持接通状态。在启动和故障情况期间，常关晶体管104可以被关断，二极管D1通过将常开晶体管102的栅极G1箝位到常关晶体管104的源极电压来防止常关晶体管的漏极电压达到高电压。但是在这样的直接驱动配置中，可能需要专用的驱动器驱动常开晶体管102和常关晶体管104的栅极G1和G2二者。与直接驱动方法相关的另一个问题在于，在串联连接的器件两端的较高的反向电流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种操作耦合在第一开关节点和第二开关节点之间的第一开关的方法，所述第一开关包括与常关晶体管串联耦合的常开晶体管，所述方法包括：通过所述第一开关来传导反向电流，其中所述反向电流与所述第一开关节点和所述第二开关节点之间的正电压相对应；接通所述第一开关，包括经由所述常开晶体管的控制节点来接通所述常开晶体管和经由所述常关晶体管的控制节点来接通所述常关晶体管；在传导所述反向电流时关断所述第一开关，包括经由所述常关晶体管的控制节点来关断所述常关晶体管以及通过减少所述常开晶体管的控制节点和所述常开晶体管的参考节点之间的电压来减少所述常开晶体管的驱动电压；以及在关断所述第一开关之后接通耦合在所述第一开关和电源节点之间的第二开关。

【技术特征摘要】
2015.08.10 US 14/822,5301.一种操作耦合在第一开关节点和第二开关节点之间的第一开关的方法，所述第一开关包括与常关晶体管串联耦合的常开晶体管，所述方法包括：通过所述第一开关来传导反向电流，其中所述反向电流与所述第一开关节点和所述第二开关节点之间的正电压相对应；接通所述第一开关，包括经由所述常开晶体管的控制节点来接通所述常开晶体管和经由所述常关晶体管的控制节点来接通所述常关晶体管；在传导所述反向电流时关断所述第一开关，包括经由所述常关晶体管的控制节点来关断所述常关晶体管以及通过减少所述常开晶体管的控制节点和所述常开晶体管的参考节点之间的电压来减少所述常开晶体管的驱动电压；以及在关断所述第一开关之后接通耦合在所述第一开关和电源节点之间的第二开关。2.根据权利要求1的方法，其中所述第二开关耦合在所述第二开关节点和所述电源节点之间。3.根据权利要求1的方法，其中关断所述常开晶体管和减少所述常开晶体管的驱动电压基本在相同时间执行。4.根据权利要求1的方法，其中：所述常开晶体管包括氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)；以及所述常关晶体管包括增强型MOSFET。5.根据权利要求1的方法，其中：关断所述常关晶体管包括：利用第一驱动器电路将所述常关晶体管的控制节点从第一电压驱动至第二电压；以及减少所述常开晶体管的驱动电压包括：利用电容器来驱动所述常开晶体管的控制节点，所述电容器具有耦合到所述常关晶体管的控制节点的第一端子以及耦合到所述常开晶体管的控制节点的第二端子。6.根据权利要求5的方法，其中：经由所述常关晶体管的控制节点来接通所述常关晶体管包括：将所述常关晶体管的控制节点从所述第二电压驱动至所述第一电压；以及经由所述常开晶体管的控制节点来接通所述常开晶体管包括：利用耦合在所述常开晶体管的控制节点和所述常关晶体管的源极节点之间的箝位电路来驱动所述常开晶体管的控制节点。7.根据权利要求6的方法，其中所述箝位电路包括耦合在所述常开晶体管的控制节点和所述常关晶体管的源极节点之间的二极管。8.根据权利要求1的方法，其中响应于开关信号来执行接通所述第一开关、关断所述常关晶体管和减少所述常开晶体管的驱动电压。9.根据权利要求1的方法，其中：关断所述常关晶体管包括：利用第一驱动器电路将所述常关晶体管的控制节点从第一电压驱动至第二电压；以及减少所述常开晶体管的驱动电压包括：利用第二驱动器电路将驱动电压从第三电压减少至第四电压。10.根据权利要求9的方法，其中所述第四电压在所述常开晶体管的接通阈值之下。11.根据权利要求1的方法，其中接通所述第二开关还包括：在关断所述第一开关之后的第一时段内接通所述第二开关。12.一种电路，包括：第一驱动器端子，被配置成耦合到与常开晶体管串联耦合的常关晶体管的控制节点，其中所述常关晶体管和所述常开晶体管形成耦合在第一开关节点和第二开关节点之间的第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·佐杰，MA·库奇埃克，
申请(专利权)人：英飞凌科技奥地利有限公司，
类型：发明
国别省市：奥地利;AT