混合式开关控制器制造技术

一种混合式开关设备包括标准半导体开关和快速半导体开关，标准半导体开关和快速半导体开关电气并联地布置以形成联合输出电流路径以用于承载负载电流。标准开关可以是硅（Si）MOSFET，而快速开关可以是GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）。一种用于产生第一和第二栅极驱动信号的装置包括脉冲形成器。第一栅极驱动信号被施加到标准开关，以用于选择性接通和断开标准开关。脉冲形成器输出用于驱动快速开关的第二栅极驱动信号，其中，该脉冲形成器生成第二栅极驱动信号作为与第一栅极驱动信号的每次转变同步启动的接通脉冲，并且脉冲形成器在脉冲之间生成处于OFF状态的第二栅极驱动信号以避免在快速开关中引起传导损耗。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】混合式开关控制器相关申请的交叉引用本申请要求2017年03月02日提交的美国临时申请号62/466,326（'326申请）的权益，该'326申请通过引用并入本文，如同本文中完全阐述一样。
技术介绍
a.
本公开大体上涉及电力电子系统，并且更特别地涉及一种用于控制混合式开关的设备，该混合式开关包括：第一（快速）半导体切换装置，诸如快速GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）；和第二（较慢）半导体切换装置，诸如硅（Si）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。b.
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下文仅出于提供背景的目的阐述了此
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描述。因此，此
技术介绍
描述的任何方面（就在其它方面称为现有技术的意义上）既不明确也不隐含地被承认是本公开的现有技术。在电力电子电路中，可通过以并联布置结构电气连接多个半导体开关来提供高电流电力容量，以便允许一起承载负载电流。并联布置结构是期望的，因为这种并联布置结构与单个开关相比可共同地具有低得多的传导电阻。降低的传导电阻可减少传导损耗，这可以提高总系统效率。已知硅开关（例如MOSFET）用于电力应用；然而，这种开关由于相对高的切换损耗而不在非常高切换频率下操作。与传统硅（Si）装置相比，宽带隙（WBG）装置（诸如碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）装置）由于其更高的切换频率能力、更低的切换损耗和更高的热能力而变得越来越流行。然而，WBG装置仍具有其自身的挑战。首先，与硅装置相比，其电流能力对于一些应用而言仍不够高。对于这种高电流应用而言，需要并联多个WBG开关，这增加了系统成本。其次，特别是对于所谓的GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）装置而言，在开关未“接通”时，WBG装置的反向传导损耗比例如硅MOSFET装置高得多。该反向传导损耗特性限制了系统效率。另外，WBG装置的额定功率将驱动其成本，所以将期望降低这种额定功率，以便降低包括这种WBG装置的系统成本。因此，需要克服本领域中的一个或多个问题。前述论述仅意图说明本领域且不应视为对权利要求书范围的否定。
技术实现思路
在实施例中，提供了一种用于选择性地承载负载电流的设备。该设备包括：第一半导体切换装置，其具有用于选择性地接通和断开第一切换装置的第一控制输入；和第二半导体切换装置，其具有用于选择性地接通和断开第二切换装置的第二控制输入。第一切换装置具有第一切换时间，第一切换时间大于与第二切换装置相关联的第二切换时间（即第二切换装置切换得更快）。该设备还包括一种装置，其用于：（i）在第一驱动输出上产生第一控制驱动信号，其中，所述第一控制驱动信号包括ON状态和OFF状态；和（ii）在第二驱动输出上产生第二控制驱动信号，其中，所述第二控制驱动信号包括ON状态和OFF状态。第一和第二切换装置以并联布置结构电气连接以形成联合输出电流路径。第一切换装置的第一控制输入被连接到产生装置的第一驱动输出，以接收第一控制驱动信号。同样，第二切换装置的第二控制输入被连接到产生装置的第二驱动输出，以接收第二控制驱动信号。产生装置包括脉冲形成器，脉冲形成器构造成：（i）在第一控制驱动信号从OFF状态转变到ON状态时，生成第二控制驱动信号作为第一脉冲；（ii）在第一控制驱动信号从ON状态转变到OFF状态时，生成第二控制驱动信号作为第二脉冲；以及（iii）在第一与第二脉冲之间生成处于OFF状态的第二控制驱动信号。贯穿前文，避免了原本将由第二切换装置（即，快速切换装置）引起的传导损耗，这允许针对第二切换装置使用更低额定功率，以从而降低混合式开关的总成本。通过阅读以下描述和权利要求以及通过审阅附图，本公开的前文和其它方面、特征、细节、效用和优点将变得显而易见。附图说明图1是根据实施例的设备的示意性框图，该设备具有形成混合式开关的并联快速和慢速半导体切换装置以及用于因此而产生第一和第二驱动信号的控制电路。图2是示出了图1的混合式开关实施例的第一和第二栅极驱动信号的简化时序图。图3A-3D是用于产生第一和第二栅极驱动信号的图1的控制电路的另外的实施例的示意性框图。图4是根据本公开的实施例的具有并联晶体管的设备的图解示意性框图。图5是使用图4的布置结构的复制品的替代实施例的示意图。图6图示了反映图5的实施例的操作的栅极驱动信号和延迟的栅极驱动信号的简化时序图。图7-10是示出了不同操作模式的图5的实施例的示意图。具体实施方式本文针对各种设备、系统和/或方法描述了各种实施例。阐述了许多特定细节以提供对如说明书中所描述的和附图中所图示的实施例的总结构、功能、制造和使用的全面理解。然而，本领域的技术人员将理解，可在没有这种特定细节的情况下实践这些实施例。在其它情况下，没有详细描述众所周知的操作、部件和元件，以免使说明书中所描述的实施例难以理解。本领域的普通技术人员将理解，本文所描述和图示的实施例是非限制性示例，并且因此，可以了解，本文所公开的特定结构和功能细节可以是代表性的且不一定限制实施例的范围，这些实施例的范围仅由所附权利要求限定。贯穿本说明书，提及“各种实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”或者“实施例”等意味着结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在贯穿说明书的各处中出现短语“在各种实施例中”、“在一些实施例中”、“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定全部指的是同一个实施例。此外，在一个或多个实施例中可以任何适合的方式组合特定特征、结构或者特性。因此，结合一个实施例图示或描述的特定特征、结构或特性可全部或部分地与一个或多个其它实施例的特征、结构或特性组合而不受限制，只要这种组合不是不合逻辑的或不起作用的。图1-3D示出了用于操作混合式开关的控制电路和方法的实施例。本公开还结合图4-10描述了混合式开关（及其控制器）的实施例，其中，该后一实施例利用可快速切换的宽带隙（WBG）开关，诸如与相对更慢切换但可能更便宜并且可能具有更大电力容量的标准开关（诸如硅（Si）功率MOSFET）并联的GaNHEMT。更昂贵的快速开关的成本部分地对应于其所需额定功率。进而，昂贵的快速开关（例如WBG开关）的所需额定功率是在操作期间其切换损耗和传导损耗相结合的结果。然而，应理解，如果可以降低昂贵的快速开关的必需额定功率，则这将降低更昂贵的快速开关的成本，这将降低混合式开关的总成本。大体上，在图4-10的实施例中，切换控制器被构造成使得快速开关不仅完成所有切换工作而且还有助于电流的传导。这通过快速开关在慢速开关前一点“接通”并且在慢速开关后一点“断开”来实现。由此，昂贵的高速WBG开关不仅承受切换功率耗散而且还在“接通”时间期间承受传导损耗，从而产生额外功率耗散。“接通”时间取决于调制，这基本上由混合式开关的所需（总）功率传输产生。然而，在另一方面，应了解，可通过（多个）更慢的硅半导体开关更成本有效地处理电流传导，（多个）更慢的硅半导体开关构成混合式开关的第二部分。还应了解，快速开关栅极驱动信号的转变的启动或开始可与标准开关栅极驱动信号的启动或转变同步，因为在这种情况下，快速开关将总是在标准开关之前启动其输出转变。如将描述的那样，这种观测可用于实施简化的栅极驱动电路系统。根据图1-3D的实施例的控制方案，快速开关在混合式开关的大部分传导时段期间被“断开”，并且用于控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设备，包括：用于产生如下信号的装置，其用于（i）在第一栅极驱动输出上产生第一栅极驱动信号，其中，所述第一栅极驱动信号包括ON状态和OFF状态，并且（ii）在第二栅极驱动输出上产生第二栅极驱动信号，其中，所述第二栅极驱动信号包括ON状态和OFF状态；第一半导体切换装置，其具有第一栅极、第一漏极和第一源极；第二半导体切换装置，其具有第二栅极、第二漏极和第二源极，所述第二半导体切换装置具有第一接通时间，所述第一接通时间小于与所述第一半导体切换装置相关联的第二接通时间；所述第一和第二半导体切换装置以并联布置结构连接，其中，（i）所述第一漏极和所述第二漏极电气连接，并且（ii）所述第一源极和所述第二源极电气连接，其中，所述第一半导体切换装置的所述第一栅极连接到所述产生装置的所述第一栅极驱动输出，以接收所述第一栅极驱动信号，所述第二半导体切换装置的所述第二栅极连接到所述产生装置的所述第二栅极驱动输出，以接收所述第二栅极驱动信号；并且其中，所述产生装置包括脉冲形成器，所述脉冲形成器构造成：（i）在所述第一栅极驱动信号从所述OFF状态转变到所述ON状态时生成所述第二栅极驱动信号作为第一脉冲，（ii）在所述第一栅极驱动信号从所述ON状态转变到所述OFF状态时生成所述第二栅极驱动信号作为第二脉冲，并且（iii）在所述第一与第二脉冲之间生成处于所述OFF状态的所述第二栅极驱动信号。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.03.02 US 62/4663261.一种设备，包括：用于产生如下信号的装置，其用于（i）在第一栅极驱动输出上产生第一栅极驱动信号，其中，所述第一栅极驱动信号包括ON状态和OFF状态，并且（ii）在第二栅极驱动输出上产生第二栅极驱动信号，其中，所述第二栅极驱动信号包括ON状态和OFF状态；第一半导体切换装置，其具有第一栅极、第一漏极和第一源极；第二半导体切换装置，其具有第二栅极、第二漏极和第二源极，所述第二半导体切换装置具有第一接通时间，所述第一接通时间小于与所述第一半导体切换装置相关联的第二接通时间；所述第一和第二半导体切换装置以并联布置结构连接，其中，（i）所述第一漏极和所述第二漏极电气连接，并且（ii）所述第一源极和所述第二源极电气连接，其中，所述第一半导体切换装置的所述第一栅极连接到所述产生装置的所述第一栅极驱动输出，以接收所述第一栅极驱动信号，所述第二半导体切换装置的所述第二栅极连接到所述产生装置的所述第二栅极驱动输出，以接收所述第二栅极驱动信号；并且其中，所述产生装置包括脉冲形成器，所述脉冲形成器构造成：（i）在所述第一栅极驱动信号从所述OFF状态转变到所述ON状态时生成所述第二栅极驱动信号作为第一脉冲，（ii）在所述第一栅极驱动信号从所述ON状态转变到所述OFF状态时生成所述第二栅极驱动信号作为第二脉冲，并且（iii）在所述第一与第二脉冲之间生成处于所述OFF状态的所述第二栅极驱动信号。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第二切换装置包括硅（Si）半导体开关和宽带隙（WBG）装置中的一者，所述硅半导体开关具有小于与所述第一半导体切换装置相关联的所述第二接通时间的第三接通时间，所述宽带隙装置包括GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）装置、GaN共源共栅装置、SiC装置和基于GaN的切换装置。3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一半导体切换装置包括硅（Si）MOSFET装置。4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述SiMOSFET装置在所述第一源极与所述第一漏极之间包括体二极管。5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述产生装置包括栅极驱动电路，所述栅极驱动电路具有所述第一栅极驱动输出并且被构造成生成所述第一栅极驱动信号。6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述栅极驱动电路和所述脉冲形成器包括单独的部件。7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述脉冲形成器包括所述第二栅极驱动输出，并且响应于所述第一栅极驱动信号，以用于生成包括所述第一和第二脉冲的所述第二栅极驱动信号。8.根据权利要求6所述的设备，其中，除了所述第一栅极驱动输出之外，所述栅极驱动电路包括另外的输出，所述另外的输出产生对应于所述第一栅极驱动信号的控制信号，所述脉冲形成器响应于所述控制信号，以用于生成包括所述第一和第二脉冲的所述第二栅极驱动信号。9.根据权利要求5所述的设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：A克尔纳，
申请(专利权)人：黑拉有限责任两合公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE