用于防止雪崩击穿的两级开关驱动器制造技术

本公开涉及一种用于防止雪崩击穿的两级开关驱动器。所提供的技术用于避免跨同步整流(SR)开关的雪崩击穿电压，该开关位于隔离开关模式功率转换器的次级侧上，转换器在低功率模式、例如突发模式中操作，在此模式期间功率转换器的载荷负载消耗的电流可忽略。这通过使用两级开关驱动器来实现，其用于控制在功率转换器初级侧上的功率开关。两级开关驱动器配置为在突发模式操作期间使低电流水平流出至功率开关的控制端子(例如栅极)。该低电流减小在功率转换器初级侧和次级侧上的电压脉冲的上升沿斜率，限制了跨SR开关的电压振铃的峰值。通过以此方式限制电压，避免SR开关进入雪崩击穿。

Two stage switch driver for preventing avalanche breakdown

【技术实现步骤摘要】
用于防止雪崩击穿的两级开关驱动器
本申请涉及一种开关模式功率转换器，其中功率开关被具有两个强度级的驱动器控制，其中驱动器限制了功率开关被接通的比率以防止跨同步整流(SR)开关的电压达到雪崩击穿水平。
技术介绍
诸如智能电话、平板计算机和笔记本计算机的移动消费设备在功能性和流行性方面持续地增长。此类设备通常是电池供电的，并且需要用于从主电源给设备电池充电的充电器。电池充电器优选地小且便宜。电池充电器部分地由于其小尺寸而必须是高效的，以使在其内部产生的热量不会导致外壳温度过高。尽管单个充电器消耗的功率相对较少，但连接到电网上的此类充电器数量巨大，可能会给电网带来很大负载。因此，监管机构对电池充电器在活跃和待机操作模式期间的功率效率提出了严格要求，以限制此类充电器浪费的能量。为了满足这些规格和效率目标，现代的电池充电器越来越多地使用隔离开关模式功率转换器。以前的功率转换器在整流之前依赖大型转换器直接降低交流(AC)主电压，尤其是与其相比，这种转换器所使用的高切换速度使得转换器内部的变压器相对小而轻。许多现代的电池充电器依赖反激式转换器拓扑及其变型，用于将已从AC主电压整流的直流(DC)高电压转换成低电压，该低电压用于对电池充电。功率开关将高DC电压转换成施加在变压器初级侧的高频AC电压。在变压器次级侧上所感应的AC电压必须被整流以，提供转换器的负载、例如正被充电的电池所需的DC电压。此类整流依赖于电流阻断器，诸如二极管和/或同步整流(SR)开关。与二极管相比，SR开关具有低功率损耗和低相关联热，因此在大多数应用中，包括典型的电池充电器，SR开关被优选用于整流。除了在功率转换器处于有效使用中、例如电池充电时提供有效的功率转换之外，开关功率转换器优选地在没有负载附接在其上时消耗最少的功率。例如，即使在被充电设备已经被移除之后和/或电池被充满电之后，消费者也经常保持电池充电器连接至主电源。为了使功率损耗在这种待机周期期间最小化，功率转换器经常采用突发模式的操作。在突发模式操作期间，针对相对较长的时间区间，暂停功率开关的切换。在空闲区间期间，一旦输出电压已经减少至最小允许的待机模式电压水平，则启动切换并且输出电压被抬高至在突发区间期间所期望的最大待机模式电压。注意，即使在待机模式期间，泄漏电流将电荷从输出电容器排出，因此需要通过例如突发模式操作对电容器进行偶尔的再充电。突发模式操作潜在地产生如下问题：跨次级侧整流设备(诸如SR开关)的电压达到比正常操作期间更高的水平。在待机/突发模式操作期间，因为负载(例如电池)不消耗(或可忽略)电流，所以与在正常操作模式期间相比，变压器次级侧上的每个电压脉冲急剧上升的电压沿产生的电压振铃更大，该电压跨SR开关。上层电压偏移可以超过SR开关的最大允许电压。在突发模式操作期间，会重复超出这种最大电压，并且会损坏整流设备。期望一些电路和方法，以在突发模式操作期间在开关模式功率转换器中，限制跨整流设备电路出现的最大电压。此类电路和方法应当要求最少的额外电路部件，并且应当是节能的。
技术实现思路
根据开关驱动器的一个方面，该开关驱动器被配置为控制开关模式功率转换器中的功率开关，以防跨功率转换器的同步整流(SR)开关的过度电压水平。开关驱动器包括下拉驱动器开关、两个上拉驱动器开关、模式指示输入、开关控制输入以及高侧控制电路。下拉驱动器开关灌入来自功率开关的控制端子的电流。上拉驱动器开关使电流流出至控制端子。上拉开关中的第一个具有第一接通状态电阻，并且上拉开关中的第二个具有第二接通状态电阻，其中第二接通状态电阻基本上高于第一接通状态电阻。模式指示输入指示功率转换器是否正在突发模式中操作。开关控制输入控制如下部件的电导性：下拉驱动器开关、第二(高电阻)上拉驱动器开关、以及(结合模式指示输入)第一上拉驱动器开关。当在模式指示输入处指示出突发模式操作时，高侧控制电路将第一(低电阻)上拉驱动器开关禁用。根据一种在开关模式功率转换器内部执行的方法，该方法用于控制功率转换器的功率开关，以防跨功率转换器的同步整流(SR)开关的过度电压水平。功率转换器包括如上文所述配置的开关驱动器，特别是包括第一上拉驱动器开关和第二上拉驱动器开关。该方法包括检测功率转换器的负载正在消耗低功率阈值以下的功率，例如负载正在待机模式中。响应于这种检测，进入操作的突发模式，并且禁用第一(低电阻)上拉驱动器开关。根据隔离功率转换器的实施例，隔离功率转换器包括输入、输出、变压器、功率级、SR开关以及控制器。输入用于耦合至输入电源，而输出用于耦合至功率转换器的负载。变压器包括初级绕组和次级绕组。功率级被配置为可将耦合功率从输入切换到初级绕组。功率级包括功率开关和用于控制功率开关的开关驱动器。开关驱动器如上文所述被配置为，尤其是包括第一上拉驱动器开关和第二上拉驱动器开关，其中响应于功率转换器进入操作的突发模式(待机)，第一上拉驱动器开关被禁用。SR开关被配置为对通过次级绕组提供的功率整流，以便DC功率被提供给输出，并且SR开关具有跨其端子的SR电压。SR开关具有与SR电压相关联的雪崩击穿电压水平。控制器被配置为通过生成开关控制信号以驱动功率级，来控制将功率传递至输出。如上文所述，响应于检测到低功率状态，控制器还生成突发模式指示，该指示用于禁用第一上拉驱动器开关。基于负载的感测电流和/或感测电压来检测低功率状态。本领域技术人员在阅读以下的详细说明并基于查看附图，将认识到额外的特征和优点。附图说明附图的元件并不一定相对彼此成比例。相同的附图标记标识对应的类似部件。各种所示实施例的特征可组合，除非它们彼此排斥。在附图中描绘出实施例，并且以下在说明书中详细说明。图1示出隔离开关模式功率转换器的示意图。图2示出两级开关驱动器的示意图，该开关驱动器例如使用在图1的隔离功率转换器中。图3示出：针对不同功率转换器电路在突发模式操作期间，对应于跨次级侧同步整流(SR)开关的电压波形，所述开关诸如在图1的隔离功率转换器中的SR开关。图4示出：针对不同功率转换器电路在突发模式操作期间，对应于能量耗费的波形。图5示出控制初级侧功率开关的方法，使得通过使用两级开关驱动器防止跨次级侧SR开关的过度电压水平。具体实施方式本文所述的实施例提供的技术用于切换开关模式功率转换器之中的功率开关。主要在隔离功率转换器的背景中描述这些技术，其中功率开关设置在功率转换器的初级侧上，并且同步整流(SR)开关设置在功率转换器的次级侧上。这些技术使用两级开关驱动器，以便功率开关可以以不同的比率被转换到其电导模式。该开关驱动器包括：低电阻驱动器开关；和高电阻上拉驱动器开关，用于使电流流出至功率开关的控制端子(例如，栅极gate)。在功率转换器的正常操作模式期间，两个上拉驱动器都被使用，以便功率开关的控制端子可以被尽可能快地充电。这引起快速开关转换并且低开关损耗，因为功率开关在其功率消耗最高的三极管区域中花费的时间很少。快速切换引起跨变压器初级绕组的电压脉冲的上升沿陡峭，该变压器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种开关驱动器，用于控制开关模式功率转换器中的功率开关，以防跨所述功率转换器的同步整流SR开关的过度电压水平，所述开关驱动器包括：/n下拉驱动器开关，用于灌入来自所述功率开关的控制端子的电流；/n第一上拉驱动器开关，用于使电流流出至所述控制端子，所述第一上拉驱动器开关具有第一接通状态电阻；/n第二上拉驱动器开关，用于使电流流出至所述控制端子，所述第二上拉驱动器开关具有基本上高于所述第一接通状态电阻的第二接通状态电阻；/n模式指示输入；/n开关控制输入，控制所述下拉驱动器开关、所述第一上拉驱动器开关、以及所述第二上拉驱动器开关；以及/n高侧控制电路，被配置为响应于在所述模式指示输入处的突发模式指示禁用所述第一上拉驱动器开关。/n

【技术特征摘要】
20181204 US 16/209,1021.一种开关驱动器，用于控制开关模式功率转换器中的功率开关，以防跨所述功率转换器的同步整流SR开关的过度电压水平，所述开关驱动器包括：
下拉驱动器开关，用于灌入来自所述功率开关的控制端子的电流；
第一上拉驱动器开关，用于使电流流出至所述控制端子，所述第一上拉驱动器开关具有第一接通状态电阻；
第二上拉驱动器开关，用于使电流流出至所述控制端子，所述第二上拉驱动器开关具有基本上高于所述第一接通状态电阻的第二接通状态电阻；
模式指示输入；
开关控制输入，控制所述下拉驱动器开关、所述第一上拉驱动器开关、以及所述第二上拉驱动器开关；以及
高侧控制电路，被配置为响应于在所述模式指示输入处的突发模式指示禁用所述第一上拉驱动器开关。


2.根据权利要求1所述的开关驱动器，其中所述下拉驱动器开关是n通道金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET，并且所述第一上拉驱动器开关和所述第二上拉驱动器开关是p通道MOSFET。


3.根据权利要求2所述的开关驱动器，其中所述高侧控制电路包括：
高侧前置驱动器，用于控制所述第一上拉驱动器开关；
兼或门，具有所述模式指示和所述开关控制作为所述兼或门的输入，并且具有耦合至所述高侧前置驱动器的输入的输出。


4.根据权利要求1所述的开关驱动器，其中所述第二上拉驱动器开关的尺寸被设置以流出一电流水平，该电流水平限制跨所述SR开关的所述电压水平低于所述SR开关的电压上限，所述电压上限对应于所述SR开关的雪崩击穿电压。


5.根据权利要求1所述的开关驱动器，其中所述第一上拉驱动器开关在接通时流出的电流水平至少是所述第二上拉驱动器开关接通时由所述第二上拉驱动器开关流出的电流水平的100倍。


6.根据权利要求1所述的开关驱动器，其中在所述第一上拉驱动器开关和所述第二上拉驱动器开关之间的尺寸比可通过可配置数字代码编程。


7.根据权利要求1所述的开关驱动器，其中在所述第一上拉驱动器开关和所述第二上拉驱动器开关之间的尺寸比在所述上拉驱动器开关的制造期间通过金属选择被设置。


8.一种用于控制在开关模式功率转换器中的功率开关的方法，以防跨所述功率转换器的同步整流SR开关的过度电压水平，所述功率转换器包括开关驱动器，所述开关驱动器包括第一上拉驱动器开关和第二上拉驱动器开关，其中所述第二上拉驱动器开关具有接通状态电阻，所述接通状态电阻基本上高于所述第一上拉驱动器开关的接通状态电阻，所述方法包括：
检测所述功率转换器的负载正在消耗低功率水平；
响应于所述检测，进入操作的突发模式并且禁用所述第一上拉驱动器开关。


9.根据权利要求8所述的方法，其中所述SR开关具有相关联的雪崩击穿电压，所述雪崩击穿电压对应于跨所述SR开关的第一端子和第二端子的电压极限，并且其中所述第二上拉驱动器开关的所述接通状态电阻被配置为支持经过所述第二上拉驱动器开关的电流水平，以便所述功率开...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·A·布拉兹，R·刚里诺，
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