改进型栅极钳位的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及用于开关的栅极钳位技术。
【背景技术】
[0002]一些电路可以使用功率变换器将来自电源的输入电压或电流变换(例如，升压(boost)或降压(buck))为经调整的输出电压或电流，用于为部件、电路或其它电气装置提供电力。基于开关的功率变换器可以使用一个或多个开关和一种或多种信号调制技术来调整输出。杂散电感是一种与功率变换器相关联的寄生效应。功率变换器的布线、功率变换器的连接、功率变换器的电气部件的几何布置、功率变换器的电流路径的长度、以及功率变换器的去耦合电容器的位置等，均可以引起杂散电感。功率变换器的电流路径的电流电平变化可以导致基于寄生或杂散电感的寄生电压脉冲。寄生电压脉冲的幅度可以由杂散电感的大小以及电流随时间变化的梯度(di/dt)限定。寄生电压脉冲增加了正常运行电压，两者之和可能会超过开关的容许电压(例如，额定电压)并且可能会毁坏开关。而且，寄生电压脉冲可能会在功率变换器的其余部分以及相关联的系统中引入基于电磁干扰(EMI)的噪声，并且/或者可能会使测量值或者普通功率变换器和/或系统的行为讹误。例如，寄生效应和杂散电感可以在功率变换器的一个或多个开关处引起过电流、过电压、或者其它类型的故障，尤其是当开关在开关的接通状态下运行与在开关的断开状态下运行之间转换时(例如，当开关接通或断开时)。
[0003]一些功率变换器可以包括用于限制寄生效应和杂散电感的特性或特征。虽然寄生效应和杂散电感可以被限制和降低，但是一些寄生效应和杂散电感的存在是不可避免的。此外，一些功率变换器可以使用固定跨接在功率变换器的一个或多个部件的钳位元件，来使这些部件免于被由寄生效应和杂散电感诱发的、在功率变换器的故障模式期间可能会发生或正发生的、潜在的或实际的过电流、过电压或者其它故障条件(failure condit1n)所损坏。然而，使用固定钳位元件可能会减小功率变换器的运行电压并且/或者会降低功率变换器系统的总效率。
【发明内容】
[0004]总体而言，描述了技术和电路，用于选择性地将在功率变换器的开关处的电压和/或电流钳位，以避免即将发生的或实际的故障条件(例如，过电压和/或过电流)损坏开关。功率变换器(例如，降压或升压变换器、逆变器等)可以包括至少一个开关，并且可以使用信号调制技术来使开关接通和/或断开，以将输入电压变换为经调整的输出电压和/或电流。
[0005]功率变换器可以进一步包括可切换钳位元件，用于将跨开关的电压和/或电流钳位，以防止电压和/或电流达到可以损坏开关的电平。当功率变换器检测到的跨开关的电压指示有实际的或可能的故障条件的风险时，功率变换器“启用(enable) ”可切换钳位元件(例如，接通可切换钳位元件，并且使可切换钳位元件在接通状态下运行)。通过启用可切换钳位元件，在满足可切换钳位元件的阈值或其它启动准则的情况下，功率变换器配置可切换钳位元件，以产生通过可切换钳位元件的额外的电流路径，以便从开关转移走由故障条件引起的过剩电流。当跨开关的电压没有指示有实际的或可能的故障条件的风险时，功率变换器“禁用(disable)”可切换钳位元件(例如，断开可切换钳位元件)。通过禁用可切换钳位元件，即使满足可切换钳位元件的阈值或其它启动准则，功率变换器也配置可切换钳位元件，以防止产生通过可切换钳位元件的额外的电流路径。
[0006]在一个示例中，本公开涉及一种电路，其包括开关、耦合至开关的可切换钳位元件、以及被配置用于至少部分基于驱动器控制信号来控制开关的驱动器。驱动器进一步被配置用于启用或禁用可切换钳位元件。可切换钳位元件被配置为，当可切换钳位元件被驱动器启用时，并且当跨开关的电压或在开关处的电流满足用于启动可切换钳位元件的阈值时，将跨开关的电压钳位。
[0007]在另一示例中，本公开涉及一种方法，其包括，通过被配置用于控制开关的驱动器，至少部分基于跨开关的电压或在开关处的电流，来控制耦合至开关的可切换钳位元件；其中可切换钳位元件被配置为，当可切换钳位元件被驱动器启用时，并且当跨开关的电压或在开关处的电流满足用于启动可切换钳位元件的阈值时，将跨开关的电压钳位。
[0008]在另一示例中，本公开涉及一种电路，其包括用于至少部分基于跨开关的电压或在开关处的电流来控制耦合至开关的可切换钳位元件的装置；其中可切换钳位元件被配置为，当可切换钳位元件被驱动器启用时，并且当跨开关的电压或在开关处的电流满足用于启动可切换钳位元件的阈值时，将跨开关的电压钳位。
[0009]将在下面的附图和说明中阐明一个或多个示例的细节。本发明的其它特征、目的和优点将由说明和附图以及由权利要求书而变得更加显而易见。
【附图说明】
[0010]图1是图示了根据本公开的一个或多个方面的用于变换来自电源的功率的示例系统的框图。
[0011]图2是图示了图1所示的示例系统的功率变换器的一个示例的框图。
[0012]图3是图示了根据本公开的一个或多个方面的包括改进型栅极钳位的示例变换器单元的电路图。
[0013]图4是图示了根据本公开的一个或多个方面的包括用于提供改进型栅极钳位的升压器的另一示例变换器单元的电路图。
[0014]图5是图示了图3所示的示例变换器单元和图4所示的另一示例变换器单元的示例驱动器的框图。
[0015]图6是图示了根据本公开的一个或多个方面的示例功率变换器的示例操作的流程图。
[0016]图7是图示了本公开的一个或多个方面的各种时序特性的时序图。
【具体实施方式】
[0017]在一些应用中，功率变换器(以下称为“变换器”)可以将来自电源的输入电压变换(例如，通过升压或者降压)为，用于装置(例如，负载)的经调整的输出电压或电流。功率变换器可以具有包括一个或多个开关(例如，MOS功率开关晶体管、基于氮化镓(GaN)的开关或者其它类型的开关装置)的半桥。例如，半桥可以包括在切换节点处耦合至的低侧开关的高侧开关。通过利用调制技术来控制半桥的开关，变换器可以调整在半桥的切换节点处的电流或电压的量。半桥的开关的这种调制可以根据脉冲宽度调制(PWM)、脉冲密度调制(PDM)、或者其它适当的调制技术来进行。
[0018]由于在开关处的杂散电感电平的作用，当开关接通或者断开时，在开关周期内在开关处可能会发生故障条件(例如，超出半桥的部件的额定电压或额定电流的电压尖峰或电流尖峰)。例如，功率变换器可能容易受到引起跨开关的过电流和/或过电压尖峰的一定量的电气噪声或辐射的影响。过电流、过电压或者其它类型的故障条件可以在开关处产生超过开关的运行额定值的并且可能会损坏开关的电流和/或电压电平。在一些情况下，考虑到可能的过电流、过电压或其它故障条件，在功率变换器中使用具有更高运行容差的开关。具有更闻运行容差的开关可能会使电路的成本提闻。
[0019]一些功率变换器可以包括这样的特性，用于最大程度地减小由于在开关处的杂散电感的作用而产生的EMI和噪声，从而限制过电流、过电压或其它故障条件的频率和/或强度，以防止在开关处的电压或电流超出开关的运行额定值。例如，一些功率变换器可以包括额外的屏蔽，以最大程度地减少在开关处的外部电辐射和噪声的量。虽然一些功率变换器可以被设计和/或被操作用于最大程度地减少EMI和噪声，但是几乎永远不能将在功率变换器的开关处的EMI和噪声完全消除或限制到零电平。
[0020]一些功率变换器可以包括所谓的“固定钳位元件”或者“固定钳位器”(例如，齐纳二极管、瞬态电压抑制(TVS) 二极管、雪崩二极管、或者可以用作“钳位器”以抑制电压和/或电流的其它电气电路和/或部件)，其跨开关设置，并且被配置用于抑制在开关处的电压和/或电流尖峰并且被配置用于避免由在开关处的故障条件引起的潜在的损坏。例如，一些功率变换器可以包括跨开关设置的并且被配置以作为固定钳位元件的齐纳二极管。当在开关处的并且跨固定钳位元件的电压满足固定钳位元件的阈值或其它启动准则时(例如，当在开关处的电压超过了齐纳二极管的击穿电压时)，通过固定钳位元件创建电流路径。电流路径通过固定钳位元件转移走过剩电流，并且使开关免受过电压的影响。由固定钳位元件创建的额外电流路径，使得将跨开关的电压限制或钳位于，保持于或者低于固定钳位元件的阈值(例如，齐纳二极管的击穿电压)的电平。换言之，固定钳位元件限制了在开关处的电压，使其不超过固定钳位元件的阈值和开关的最大电压。
[0021]贯穿本公开，术语“钳位元件”和“钳位器”用于描述用于抑制或将电压和/或电流钳位的任何电气装置、部件或电路。术语“固定钳位器”和“固定钳位元件”的使用是指不能被“禁用”或“断开”的钳位器和钳位元件。例如，在钳位器或钳位元件被固定时，如果跨固定钳位元件或固定钳位器的电压满足了固定钳位元件的阈值或其它启动准则，则无法禁用固定钳位器或固定钳位元件，以及无法阻止固定钳位器或固定钳位元件形成通过固定钳位器或固定钳位元件的电流路径。换言之，采用固定钳位器或固定钳位元件，如果满足了阈值或其它启动准则，则总是能够通过固定钳位器或固定钳位元件形成电流路径。
[0022]下面将对各种类型的可切换钳位元件进行描述，并且所描述的电路和技术广泛适用于这些类型的可切换钳位元件中的每一类型。例如，一种类型的可切换钳位元件是“常启用(normally-enabled)”(例如，“常通”)类型的可切换钳位元件。常启用或常通类型的可切换钳位元件指的是，即使驱动器不正在控制可切换钳位元件以及/或者驱动器未被供电也能将跨开关的电压钳位的可切换钳位元件。如果连接了驱动器，那么驱动器可以控制可切换钳位元件以禁用可切换钳位元件；否则，启用常启用或常通类型可切换钳位元件。在一些示例中，常通类型的可切换钳位元件可以模型化为与钳位器串联的常通晶体管(例如，耗尽型MOS晶体管)。
[0023]例如，第二种类型的可切换钳位元件是“常禁用”(例如，“常断”)类型的可切换钳位元件。常禁用或常断类型的可切换钳位元件指的是这样的可切换钳位元件，其不能将跨开关的电压钳位，除非驱动器不正在控制可切换钳位元件并且/或者驱动器被供电以便启用可切换钳位元件。如果连接了驱动器，那么驱动器可以控制可切换钳位元件以启用可切换钳位元件；否则，禁用常禁用或常断类型可切换钳位元件。在一些示例中，常断类型的可切换钳位元件可以被模型化为与钳位器串联的常断晶体管(例如，增强型MOS晶体管)。
[0024]通过使用仅依赖阈值(例如，击穿电压)或其它启动准则来使开关免受故障条件影响的固定钳位元件，固定钳位元件可以限制功率变换器，使其不在超过固定钳位元件的阈值或其它启动准则的更高的工作电压下运行。换言之，一些使用固定钳位元件的功率变换器的最大工作电压可以基于固定钳位元件的阈值或其它启动准则，而不是基于功率变换器的开关的实际电压额定值。为此，固定钳位元件可以防止一些功率变换器在固定钳位元件的容差窗口之外运行，即使受固定钳位元件保护的开关可能具有指示开关可以在超过该容差窗口的更高工作电压下运行的电压额定值。
[0025]可以通过减慢开关速度(更低的di/dt)或者通过降低正常运行电压，来减小由于杂散电感引入的寄生电压脉冲的影响而在开关处发生过电压的风险。减慢开关速度和降低正常运行电压两者都可能对功率变换器的总效率有负面影响。更慢的开关速度可能会导致更多的开关损耗，这是因为增加了开关在接通状态与断开状态(反之亦然)之间的转换时间的长度。降