整流器装置和用于操作整流器装置的方法制造方法及图纸

本文描述了整流器装置和用于操作整流器装置的方法。根据一个示例，该整流器装置包括：半导体衬底；阳极端子和阴极端子，其通过第一MOS晶体管的负载电流路径和与负载电流路径并联连接的二极管相连接。交流输入电压被可操作地施加在阳极端子与阴极端子之间。此外，控制电路耦合到第一MOS晶体管的栅电极并且被配置成在导通时段内导通第一MOS晶体管，在该导通时段期间，二极管被正向偏置。栅极驱动器电路被包括在控制电路中并且包括缓冲电容器以及连接在缓冲电容器与第一MOS晶体管的栅电极之间的两个或更多个晶体管级的级联。

【技术实现步骤摘要】
整流器装置和用于操作整流器装置的方法
本公开内容涉及电力供应，具体涉及整流器电路和装置以及相关的方法和装置。
技术介绍
在电力网中，电力通常由于各种原因以交流(AC)的形式分配给用户。此外，例如在机动车辆中使用交流发电机来生成交流电流。在许多应用中，交流电流必须转换成直流电流(DC)，以便为需要DC电源的电子电路或其他装置提供DC电源。这种转换过程被称为整流。用于构建整流器的标准元件是硅二极管。存在几种类型的整流器。一种常见的类型是单相全波整流器，其通常使用以桥配置(所谓的格雷兹(Graetz)桥)连接的四个二极管构建。作为补充说明，应该指出的是，由电力网提供的交流电压(例如120伏或230伏)通常在被整流之前利用变压器被转换为较低的电压。在机动车辆领域，交流发电机通常会生成多相输出电压，并且合适的三相全波整流器可以例如包括六个二极管。此外，也可以例如在(DC/DC或AC/DC)开关转换器中使用整流器二极管。硅二极管的正向电压约为0.6伏至0.7伏。肖特基二极管和锗二极管具有约0.3伏的稍低的正向电压。pn结(即二极管)的正向电压取决于半导体材料，因此实际上可以认为对于通常基于硅的特定半导体制造技术是常数参数(在忽略温度相关性的情况下)。也就是说，硅二极管将始终产生(在室温下)每安培负载电流约600毫瓦至700毫瓦的功耗。由四个二极管构成的二极管桥(桥式整流器)，因此产生负载电流的约1.2瓦特/安培至1.4瓦特/安培(RMS)的功耗，这是因为两个二极管总是在二极管电桥中正向偏置。特别是对于相对较低的电压(例如5至15伏)，整流器中的功耗可能是总生成功率的重要部分。为了降低整流器装置中的功耗，可以使用称为主动整流的技术。因此，硅二极管被诸如功率MOS场效应晶体管(MOSFET)或功率双极结型晶体管(BJT)之类的功率晶体管取代，与简单的硅二极管相比功率晶体管具有相对较低的导通电阻并因此可以产生显著较低的电压降。然而，通常需要相对复杂的控制电路来将晶体管同步地切换到交流电压。特别地，专利技术人认识到关于功率晶体管的控制的几个问题，这些问题是由施加到硅衬底的电压是交流电压这一事实引起的，其中功率晶体管被集成在硅衬底上。
技术实现思路
本文描述了一种整流器装置。根据一个示例，整流器装置包括半导体衬底；阳极端子和阴极端子，其通过第一MOS晶体管的负载电流路径和与负载电流路径并联连接的二极管连接。交流输入电压可操作地施加在阳极端子与阴极端子之间。此外，控制电路耦合到第一MOS晶体管的栅电极并且被配置成在导通时段内导通第一MOS晶体管，在该导通时段期间，二极管被正向偏置。栅极驱动器电路包括在控制电路中并且包括缓冲电容器以及连接在缓冲电容器与第一MOS晶体管的栅电极之间的两个或更多个晶体管级的级联。此外，本文描述了用于操作整流器装置的方法。根据一个示例，整流器装置包括在阳极端子和阴极端子之间并联耦合的MOS晶体管和二极管，并且该方法包括检测二极管是正向偏置的；以及在检测到二极管正向偏置时，通过控制电路导通MOS晶体管。该方法还包括当二极管被正向偏置时，检测在阴极端子与阳极端子之间的整流器装置两端的电压达到特定阈值电压；一旦检测到整流器装置两端的电压达到了特定阈值就关断MOS晶体管，其中导通MOS晶体管包括利用两个或更多晶体管级的级联将MOS晶体管的栅极与缓冲电容器连接。附图说明参考以下描述和附图可以更好地理解本专利技术。附图中的部件不一定按比例绘制，而是着重于说明本专利技术的原理。此外，在附图中，相似的附图标记表示相同的部分。在附图中：图1作为说明性示例示出了由四个二极管构成的单相全波整流器电路；图2示出了可用于替换整流器电路中的二极管的功率MOSFET，其中，在本文描述的实施方式中，功率MOSFET在导通时是反向导通的；图3是示出图2的功率MOSFET的示例性实现方式的半导体本体的截面图；图4是示出图2的功率MOSFET的电路图以及被配置成当体二极管变为正向偏置时主动地导通MOSFET的控制电路；图5是示出在MOSFET连接至负载并且在被提供有交流电压时不主动导通的情况下，图4的MOSFET的体二极管两端的电压的时序图；图6是示出示例性电源电路的电路图，其可以被包括在控制电路中以向用于导通和关断图4的MOSFET的控制逻辑供电；图7A和7B是示出当提供有交流电压时图4的MOSFET的切换的时序图；图8是示出用于如图7A和7B的时序图中所示导通和关断图4的MOSFET的一个示例性控制逻辑的框图；图9包括更详细地示出图8的控制逻辑的功能的四个时序图；图10示出了可以用在图8的控制电路中的、用于掩蔽MOSFET的提前关断的定时器电路；图11包括更详细地示出图10的定时器电路的功能的时序图；图12示出了图4的示例的替代方案，其中使用两个或更多个功率MOSFET而不是单个功率MOSFET；图13包括示出图12的整流器装置两端的电压降的时序图，其中当被激活时两个功率MOSFET的MOS沟道在二极管正向偏置的情况下旁路体二极管，并且其中两个功率MOSFET被顺次关断；图14示出了示例性控制逻辑，其类似于图8的示例但适用于如图12所示的具有两个功率MOSFET的整流器装置；图15包括示出图14的控制逻辑的功能的时序图；图16示出了说明用于操作整流器装置的一个示例性方法的流程图；图17是适用于导通和关断图4的功率MOSFET的栅极驱动器电路的一个一般性示例，栅极驱动器可以是控制电路的一部分；图18更详细地示出了图17的示例；图19示出了包括由图17和图18的栅极驱动器电路使用的驱动信号的时序图。具体实施方式如上所述，存在几种类型的整流器。作为说明性示例，图1示出了单相全波整流器，该整流器利用以桥配置(所谓的Graetz桥或桥式整流器)连接的四个二极管D1、D2、D3、D4来构建。图1还示出了AC电压源G，其可以表示例如电网、变压器的次级侧，诸如机动车辆中使用的交流发电机之类的AC发电机、或任何其他常见的AC电压源。电压源G提供被供给桥式整流器的交流电压VAC。电容器C1可以被连接至桥式整流器的输出端以减小DC输出电压VDC的纹波。在图1的示例中，机动车辆电池BAT耦合到桥式整流器，使得电池可以被发电机G充电。硅二极管通常具有约0.6伏到0.7伏的正向电压，并且因此可能导致显著的功耗。为了降低功耗，硅二极管可以被包括可控半导体开关的整流器装置所取代。在图2所示的示例中，整流器装置10包括功率MOS晶体管MP，其具有与功率MOS晶体管MP的负载电流路径(漏-源电流路径)并联耦合的本征二极管DR(体二极管)。整流器装置10的阳极和阴极对应于本征二极管的阳极和阴极，并分别标记为A和K。在本文描述的示例中，功率MOS晶体管是具有作为MOSFET体二极管的本征二极管的MOSFET。然而，在本上下文中，也可以将IGBT(其也通过MOS栅极导通和关断)视为MOS晶体管，其中IGBT可以具有被集成在同一半导体管芯中的像IGBT一样的反向二极管。与已知的有源整流器电路(也称为“同步整流器”)不同，MOSFETMP以反向导通模式工作。实质上，(例如在图1的桥式整流器中使用的)标准整流二极管被功率MOSFET的体二极管代替，其在MOSFET导通时可以被MOS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种整流器装置，包括：半导体衬底；阳极端子和阴极端子，所述阳极端子和所述阴极端子通过第一MOS晶体管的负载电流路径和与所述负载电流路径并联连接的二极管相连接；在所述阳极端子与所述阴极端子之间可操作地施加有交流输入电压；控制电路，其耦合到所述第一MOS晶体管的栅电极并且被配置成在导通时段内导通所述第一MOS晶体管，在所述导通时段期间，所述二极管被正向偏置；栅极驱动器电路，其被包括在所述控制电路中，并且包括缓冲电容器以及连接在所述缓冲电容器与所述第一MOS晶体管的栅电极之间的两个或更多个晶体管级的级联。

【技术特征摘要】
2017.03.30 US 15/474,6691.一种整流器装置，包括：半导体衬底；阳极端子和阴极端子，所述阳极端子和所述阴极端子通过第一MOS晶体管的负载电流路径和与所述负载电流路径并联连接的二极管相连接；在所述阳极端子与所述阴极端子之间可操作地施加有交流输入电压；控制电路，其耦合到所述第一MOS晶体管的栅电极并且被配置成在导通时段内导通所述第一MOS晶体管，在所述导通时段期间，所述二极管被正向偏置；栅极驱动器电路，其被包括在所述控制电路中，并且包括缓冲电容器以及连接在所述缓冲电容器与所述第一MOS晶体管的栅电极之间的两个或更多个晶体管级的级联。2.根据权利要求1所述的整流器装置，其中，所述第一MOS晶体管、所述二极管和所述控制电路被集成在所述半导体衬底中。3.根据权利要求1所述的整流器装置，其中，每个晶体管级包括低电压MOS晶体管和耦合到所述低电压MOS晶体管的过电压保护电路。4.根据权利要求3所述的整流器装置，其中，所述第一MOS晶体管是n沟道MOSFET以及所述低电压MOS晶体管是p沟道MOSFET。5.根据权利要求3所述的整流器装置，其中，在每个晶体管级中，第二齐纳二极管被耦合到所述低电压MOS晶体管并且被配置成将跨所述晶体管级的负载电流路径的电压降限制到最大电压值。6.根据权利要求3所述的整流器装置，其中，在每个晶体管级中，所述过电压保护电路连接至所述低电压MOS晶体管的栅极，使得所述过电压保护电路限制跨所述低电压MOS晶体管的栅极电介质的电压。7.根据权利要求6所述的整流器装置，其中，所述过电压保护电路包括第一齐纳二极管。8.根据权利要求6所述的整流器装置，其中，在每个晶体管级中，在所述低电压MOS晶体管的源极与栅极之间连接有电阻器。9.根据权利要求1所述的整流器装置，其中，所述栅极驱动器电路还包括耦合到所述第一MOS晶体管的栅极的钳位电路，所述钳位电路被配置成将所述栅极的电压限制到最大电压。10.根据权利要求3所述的整流器装置，对于每个晶体管级，还包括：电流阱，其被配置成根据驱动信号而耦合到每个晶体管级中的所述低电压MOS晶体管的栅极。11.根据权利要求10所述的整流器装置，对于每个晶体管级，还包括：电子开关，其被配置成根据所述驱动信号使每个晶体管级中的所述电流阱与所述低电压MOS晶体管的栅极相连和断开连接。12.根据权利要求1所述的整流器装置，其中，所述控制电路被配置成通过检测所述二极管已经变为导通来检测所述导通时段的开始。13.根据权利要求1所述的整流器装置，其中，所述控制电路被配置成通过检测所述二极管两端的电压降已经达到限定的第一阈值电压来检测所述导通时段的开始。14.根据权利要求13所述的整流器装置，其中，所述控制电路被配置成通过检测跨所述第一MOS晶体管的负载电流路径的电压降已经达到限定的第二阈值电压来检测所述导通时段的结束。15.根据权利要求14所述的整流器装置，其中，所述第二阈值电压比所述第一阈值电压更接近于零。16.根据权利要求1所述的整流器装置，还包括：至少一个第二MOS晶体管，其具有与所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔比诺·皮杜蒂，达米亚诺·加德勒，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE