开关变换器制造技术

提出了一种变换器和一种在低功率模式中操作开关变换器的方法。本发明专利技术涉及III/V半导体开关变换器。开关变换器包含经由开关节点耦合至第二功率开关的第一功率开关。存在耦合至开关节点的电感器以及包含并联耦合至第一功率开关的第三功率开关的箝位电路。该开关变换器被适配成在识别到该开关变换器提供低水平功率时断开第一功率开关并且启用对第三功率开关的控制。

【技术实现步骤摘要】
开关变换器
本公开涉及低功率开关变换器以及在低功率模式中操作开关变换器的方法。特别地，本公开涉及III/V半导体开关变换器。背景基于诸如氮化镓(GaN)的III/V半导体的晶体管与其基于硅的对应物相比展现出相对低的导通电阻并且能够实现更高的开关速度。因此，GaN晶体管非常适合用于快速功率开关变换器的设计。然而，当前的基于GaN的开关变换器不适合用于低功率应用。本公开的目的是解决上文提及的限制中的一个或更多个。概述根据本公开的第一方面，提供了一种开关变换器，包括：第一功率开关，其经由开关节点耦合至第二功率开关；电感器，其耦合至开关节点；以及箝位电路，其包括并联耦合至第一功率开关的第三功率开关；该开关变换器被适配成在识别到所述开关变换器提供低水平功率时，断开第一功率开关并且启用对第三功率开关的控制。例如，第一功率开关可以是高压侧功率开关(high-sidepowerswitch)并且第二功率开关可以是低压侧功率开关(low-sidepowerswitch)。低水平功率可以是小于参考功率值的水平的功率。参考功率值可以被设定为可以是开关变换器的正常功率的百分比的最小功率值。可替代地，最小值可以由操作运行第一功率开关的驱动器所需的最小功率量来定义。可选择地，该开关变换器可以包括耦合至箝位电路的控制器，该控制器被适配成：感测开关变换器的电参数；并且将该电参数与阈值进行比较以识别开关变换器的功率水平。例如，电参数可以是与由变换器所提供的功率水平(levelpower)相关联的参数。这样的参数可以包括开关变换器的输出功率、输出电压、负载电流和占空比中的一个或更多个。可选择地，该第三功率开关可以耦合至电容器，该箝位电路被适配成：在第二功率开关接通时断开第三功率开关，以对电感器充电；并且在第二功率开关断开时接通第三功率开关，以对电容器充电。可选择地，该第三功率开关包括功率晶体管，该功率晶体管具有经由接地隔离开关耦合至大地的第一端子、耦合至开关节点的第二端子以及耦合至电容器的第三端子。可选择地，箝位电路包括并联耦合在第三功率开关的第一端子与第二端子之间的控制开关。可选择地，箝位电路包括与控制开关并联耦合的齐纳二极管(Zenerdiode)。该齐纳二极管可以是基于III/V半导体的齐纳二极管。例如，齐纳二极管可以通过串联耦合的三个GaN二极管来实现。可选择地，箝位电路包括并联耦合在第三功率开关的第一端子与第三端子之间的电阻器。该电阻器可以是基于III/V半导体的电阻器，诸如GaN电阻器。可选择地，第三功率开关可以是增强模式功率开关(enhancementmodepowerswitch)。可选择地，该箝位电路包括并联耦合至控制开关的滤波器。可选择地，第一功率开关、第二功率开关和第三功率开关中的至少一个是基于III/V半导体的晶体管。例如，III/V半导体可以是GaN半导体。根据本公开的第二方面，提供了一种操作开关变换器的方法，该开关变换器包括经由开关节点耦合至第二功率开关的第一功率开关、电容器以及耦合至开关节点的电感器，该方法包括提供并联耦合至第一功率开关的第三功率开关；并且在识别到开关变换器提供低水平功率时，断开第一功率开关并且启用对第三功率开关的控制。可选择地，该方法包括：感测开关变换器的电参数；并且将该电参数与阈值进行比较。可选择地，该方法包括：当该第二功率开关接通时断开第三功率开关以对电感器充电；并且当第二功率开关断开时接通第三功率开关以对电容器充电。可选择地，断开第三开关包括降低第三开关的栅极电压。根据本公开的第三方面，提供了一种使用半桥的箝位电路，该箝位电路包括功率开关，该功率开关具有用于耦合至大地的第一端子、用于耦合至开关节点的第二端子以及用于耦合至电容器的第三端子。可选择地，该箝位电路包括并联耦合在功率开关的第一端子与第二端子之间的控制开关。可选择地，该箝位电路包括与控制开关并联耦合的齐纳二极管。可选择地，该箝位电路包括并联耦合在功率开关的第一端子与第三端子之间的电阻器。可选择地，该功率开关可以是增强模式功率开关。可选择地，该箝位电路包括并联耦合至该控制开关的滤波器。可选择地，该功率开关、该电阻器和该齐纳二极管中的至少一个是基于III/V半导体的组件。例如，III/V半导体可以是GaN半导体。附图说明在下面借助于示例并参考附图来更详细地描述本公开，在附图中：图1是根据现有技术的开关变换器的图；图2是用于在低功率模式中操作开关变换器的方法的流程图；图3是设置有低功率箝位电路的返驰式开关变换器(fly-backswitchingconverter)的图；图4是示出图3的开关变换器的工作的时序图；图5是设置有低功率箝位电路的升压开关变换器的图。描述图1示出了用于向负载140提供输出电压的传统的返驰式功率变换器100。电路100包括所谓的半桥，该半桥由经由开关节点LX耦合至低压侧功率开关110的高压侧功率开关105形成。高压侧功率开关105具有经由电容器Csnub115耦合至输入电压Vbus的第一端子、耦合至开关节点的第二端子以及耦合至高压侧驱动器120的第三端子。高压侧驱动器120包括用于对高压侧驱动器供电的自举电容器(bootcapacitor)Cboot122。自举电容器122在一端经由二极管耦合至电压Vdd，并且在另一端经由低压侧功率开关110耦合至大地。提供控制电路以控制高压侧开关105的栅极电压。低压侧功率开关110具有耦合至开关节点LX的第一端子、耦合至大地的第二端子以及耦合至用于操作低压侧功率开关的低压侧驱动器(未示出)的第三端子。变压器具有耦合至次级绕组134的初级绕组132。初级绕组132在一端耦合至开关节点LX并且在另一端耦合至电容器Csnub115。次级绕组134并联耦合至输出电容器136。二极管138被设置在次级绕组134与输出电容器136之间。在操作中，交替地接通和断开还被称为主开关的低压侧开关110。当低压侧功率开关110闭合时，初级绕组连接到输入电压Vbus。初级绕组132中的电流增加并且次级绕组134中感生的电压为负。因此，二极管138反向偏置并且通过输出电容器136向负载140提供能量。当低压侧功率开关110断开时，初级绕组132断开与大地的连接并且不能充电。初级绕组132中的电流减小并且在次级绕组134中感生的电压为正。二极管138正向偏置，允许变压器向负载140和输出电容器136两者提供能量，从而对它再充电。与初级绕组132并联的电容器Csnub115提供了还被称为无源缓冲电路(passivesnubbercircuit)的电路，用于抑制电压过冲。这些过冲能够在操作高压侧和低压侧功率开关时由变压器的漏感引起。然而，这种无源缓冲电路消耗能量，并且因此降低了变换器的效率。为了减少该缓冲电路中的功率损耗，高压侧功率开关105被用作有源箝位件(activeclamp)。通过自举电容器Cboot122对高压侧驱动器120供电。自举电容器122仅能够在低压侧功率开关110接通(闭合)时进行充电。然而，在低功率模式中，低压侧功率开关110的导通时间仅持续相对短的时间。因此，自举电容器122不能充分充电以提供足够的功率来可靠地操作高压侧驱动器120。如果使用GaN技术来设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关变换器，包括：第一功率开关，其经由开关节点耦合至第二功率开关；电感器，其耦合至所述开关节点；以及箝位电路，其包括并联耦合至所述第一功率开关的第三功率开关；所述开关变换器被适配成在识别到所述开关变换器提供低水平功率时，断开所述第一功率开关并且启用对所述第三功率开关的控制。

【技术特征摘要】
2017.08.31 US 15/692,3331.一种开关变换器，包括：第一功率开关，其经由开关节点耦合至第二功率开关；电感器，其耦合至所述开关节点；以及箝位电路，其包括并联耦合至所述第一功率开关的第三功率开关；所述开关变换器被适配成在识别到所述开关变换器提供低水平功率时，断开所述第一功率开关并且启用对所述第三功率开关的控制。2.根据权利要求1所述的开关变换器，包括耦合至所述箝位电路的控制器，所述控制器被适配成：感测所述开关变换器的电参数；并且将所述电参数与阈值进行比较以识别所述开关变换器的功率水平。3.根据权利要求1或2所述的开关变换器，其中，所述第三功率开关耦合至电容器，所述箝位电路被适配成：当所述第二功率开关接通时断开所述第三功率开关，以对所述电感器充电；并且当所述第二功率开关断开时接通所述第三功率开关，以对所述电容器充电。4.根据前述权利要求中任一项所述的开关变换器，其中，所述第三功率开关包括功率晶体管，所述功率晶体管具有经由接地隔离开关耦合至大地的第一端子、耦合至所述开关节点的第二端子以及耦合至所述电容器的第三端子。5.根据权利要求4所述的开关变换器，包括并联耦合在所述第三功率开关的所述第一端子与所述第二端子之间的控制开关。6.根据权利要求5所述的开关变换器，包括与所述控制开关并联耦合的齐纳二极管。7.根据权利要求4所述的开关变换器，包括并联耦合在所述第三功率开关的所述第一端子与所述第三端子之间的电阻器。8.根据前述权利要求中任一项所述的开关变换器，其中，所述第三功率开关是增强模式功率开关。9.根据权利要求5所述的开关变换器，包括并联耦合至所述控制开关的滤波器。10.根据前述权利要求中任一项所述的开关变换器，其中，所述第一功率开关、所述第二功率开关和所述第三功率开关中的至少一...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍斯特·克内德根，克里斯托夫·N·纳格尔，雷伯加·杰拉卡，
申请(专利权)人：戴洛格半导体英国有限公司，
类型：发明
国别省市：英国,GB